RU2222024C2

RU2222024C2 - Tube sensitive element to measure dielectric characteristics of liquid

Info

Publication number: RU2222024C2
Application number: RU2002110087/09A
Authority: RU
Inventors: ев Б.А. Бел; Б.А. Беляев; А.А. Лексиков; А.А. Александровский
Original assignee: Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН
Priority date: 2002-04-16
Filing date: 2002-04-16
Publication date: 2004-01-20

Abstract

FIELD: high-frequency measurement technology. SUBSTANCE: invention can be employed in particular in systems of operative control over parameters of liquids in various technological processes. Technical result of invention consists in adaptation of sensitive element to measurement of dielectric characteristic of liquids and in improved representativity of measured sample in systems of operative control over various technological processes. Sensitive element has dielectric substrate. Grounded metallized base is deposited on one side of it, two strip conductors intercoupled electromagnetically are applied to the other side. Dielectric substrate has shape of tube, grounded base being deposited on outer cylindrical surface of tube. Two windows in which termination pads for capacitive coupling of strip conductors to transmission line are cut in base. Strip conductors themselves are applied to inner cylindrical surface of tube in diametrical opposition. For measurement sensitive element is mounted either as component of pipe-line or forms walls of measurement dish. Dielectric characteristics of liquid are found either by frequency position and depth of attenuation pole on amplitude- frequency characteristic of sensitive element or by frequency position of maximum and value of SHF power passing through it. EFFECT: improved adaptation of sensitive element to measurement of dielectric characteristics of liquids. 4 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и технике сверхвысоких частот. В частности, оно может использоваться в системах оперативного контроля параметров жидкостей в разного рода технологических процессах. The invention relates to measuring technique and microwave technology. In particular, it can be used in systems for the operational control of fluid parameters in various kinds of technological processes.

Известна ячейка для измерения диэлектрической проницаемости жидкости [1] , содержащая проходной цилиндрический диэлектрический резонатор с металлизированной поверхностью и окнами связи с линиями передачи, в котором выполнено сквозное аксиальное отверстие под исследуемую жидкость. Вещественная часть диэлектрической проницаемости жидкости определяется по изменению частоты резонатора для колебаний типа H₀₁₁, а мнимая часть - по изменению добротности резонатора. Такая ячейка имеет хорошую представительность пробы, т. к. плотность энергии электрического поля на частоте рабочей моды резонатора распределена сравнительно равномерно по сечению аксиального отверстия в нем. Однако в таком резонаторе возможно возбуждение мод колебаний на частотах, близких к рабочей и даже вырожденных. Это обстоятельство сужает динамический диапазон и снижает достоверность измерений.A well-known cell for measuring the dielectric constant of a liquid [1], containing a through cylindrical dielectric resonator with a metallized surface and communication windows with transmission lines, in which there is a through axial hole for the fluid under investigation. The real part of the dielectric constant of the liquid is determined by the change in the frequency of the resonator for oscillations of type H ₀₁₁ , and the imaginary part is determined by the change in the quality factor of the resonator. Such a cell has a good representativeness of the sample, because the energy density of the electric field at the frequency of the working mode of the resonator is distributed relatively evenly over the cross section of the axial hole in it. However, in such a resonator, vibrational modes can be excited at frequencies close to the working and even degenerate ones. This circumstance narrows the dynamic range and reduces the reliability of measurements.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков аналогом является датчик для исследования диэлектрической проницаемости материалов на сверхвысоких частотах [2] , содержащий диэлектрическую подложку, одна сторона которой полностью металлизирована и играет роль заземляемого основания, а на второй стороне нанесены два полосковых проводника, электромагнитно связанных друг с другом и образующих, таким образом, двухзвенную микрополосковую секцию. Амплитудно-частотная характеристика такой секции имеет полюс затухания, частотное положение которого зависит от величины действительной части диэлектрической проницаемости образца, помещенного на зазоре между полосковыми проводниками, а уровень затухания на частоте полюса - от величины мнимой части диэлектрической проницаемости. Соответственно по сдвигу частоты полюса определяется действительная часть диэлектрической проницаемости образца, а по изменению затухания на частоте полюса - мнимая. Такой датчик обладает высокой чувствительностью и широким динамическим диапазоном. Кроме того, зависимость частоты полюса затухания от действительной части диэлектрической проницаемости образца линейна в широком диапазоне изменения последней. Однако такой датчик проблематично использовать для измерения диэлектрических характеристик жидкостей, т. к. , во-первых, этому препятствует кондуктивный способ его подключения к линиям передачи, а во-вторых, он имеет низкую представительность пробы вследствие того, что энергия высокочастотного электрического поля, взаимодействующего с образцом, сосредоточена в основном в зазоре между полосковыми проводниками и непосредственной его близости. Последнее обстоятельство имеет большое значение при использовании датчика для измерений характеристик неоднородных жидкостей, например в измерителях влажности нефтепродуктов. The closest analogous combination of essential features is a sensor for studying the dielectric constant of materials at microwave frequencies [2], which contains a dielectric substrate, one side of which is completely metallized and acts as a grounded base, and two strip conductors are applied electromagnetically connected to each other on the second side and forming, thus, a two-link microstrip section. The amplitude-frequency characteristic of such a section has a damping pole, the frequency position of which depends on the magnitude of the real part of the dielectric constant of the sample placed in the gap between the strip conductors, and the level of attenuation at the pole frequency on the magnitude of the imaginary part of the dielectric constant. Accordingly, the real part of the dielectric constant of the sample is determined from the pole frequency shift, and the imaginary part is determined from the change in attenuation at the pole frequency. Such a sensor has high sensitivity and a wide dynamic range. In addition, the dependence of the frequency of the damping pole on the real part of the dielectric constant of the sample is linear in a wide range of variation of the latter. However, it is problematic to use such a sensor for measuring the dielectric characteristics of liquids, because, firstly, the conductive method of connecting it to transmission lines prevents this, and secondly, it has a low representativeness of the sample due to the fact that the energy of the high-frequency electric field interacting with the sample, concentrated mainly in the gap between the strip conductors and its immediate proximity. The latter circumstance is of great importance when using a sensor for measuring the characteristics of heterogeneous liquids, for example in oil moisture meters.

Техническим результатом изобретения является адаптация датчика к измерениям диэлектрических характеристик жидкостей и улучшение представительности измеряемой им пробы в системах оперативного контроля разного рода технологических процессов. The technical result of the invention is the adaptation of the sensor to the measurements of the dielectric characteristics of liquids and the improvement of the representativeness of the measured sample in the systems of operational control of various kinds of technological processes.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что датчик для измерения диэлектрических характеристик жидкости содержит диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесено заземляемое металлизированное основание, а на вторую нанесены два полосковых проводника, электромагнитно связанных между собой, причем диэлектрическая подложка имеет форму трубы, заземляемое основание нанесено на внешнюю цилиндрическую поверхность трубы, и в нем выполнены окна, в которых расположены контактные площадки для емкостной связи полосковых проводников с линиями передачи, а сами полосковые проводники нанесены на внутренней цилиндрической поверхности трубы диаметрально противоположно. The specified technical result in the implementation of the invention is achieved by the fact that the sensor for measuring the dielectric characteristics of the liquid contains a dielectric substrate, on one side of which is a grounded metalized base, and on the second two strip conductors are applied, electromagnetically connected to each other, and the dielectric substrate has the shape of a pipe, grounded the base is applied to the outer cylindrical surface of the pipe, and windows are made in it, in which contact pads for capacitive coupling to the strip conductors of transmission lines, and the strip conductors themselves coated on the inner cylindrical surface of the pipe are diametrically opposite.

Отличия заявляемого устройства от наиболее близкого аналога заключаются в том, что диэлектрическая подложка выполнена в форме трубы, а в заземляемом основании подложки выполнены окна, в которых расположены металлизированные контактные площадки, образующие цепи емкостной связи полосковых проводников с линиями передачи. The differences of the claimed device from the closest analogue are that the dielectric substrate is made in the form of a pipe, and in the grounded base of the substrate there are windows in which there are metallized contact pads forming capacitive coupling chains of strip conductors with transmission lines.

Изобретение поясняется чертежами, на которых изображены общий вид заявляемого датчика (Фиг.1), сечение плоскостью, проходящей через ось датчика и полосковые проводники (Фиг.2а), сечение плоскостью, проходящей перпендикулярно оси датчика через контактные площадки (Фиг.2б). Сечения изображены повернутыми на 90^o относительно Фиг.1.The invention is illustrated by drawings, which depict a General view of the inventive sensor (Fig. 1), a section by a plane passing through the axis of the sensor and strip conductors (Fig. 2a), a section by a plane passing perpendicular to the axis of the sensor through the contact pads (Fig. 2b). The sections are shown rotated 90 ^o relative to Figure 1.

Заявляемый датчик представляет собой диэлектрическую трубу 1 (Фиг 1 и 2), внешняя цилиндрическая поверхность которой покрыта слоем металла 2 (Фиг 1 и 2), играющим роль заземляемого основания. На внутренней цилиндрической поверхности диэлектрической трубы нанесены диаметрально противоположно друг другу полосковые проводники 3 и 4 (Фиг 1 и 2). В заземляемом основании 2 выполнены окна 5 и 6 (Фиг 1 и 2), в которых нанесены контактные площадки 7 и 8 (Фиг 1 и 2), благодаря которым осуществляется емкостная связь полосковых проводников 3 и 4 с линиями передачи. Для проведения измерений заявляемый датчик может быть вмонтирован в разрез трубопровода, либо в отвод от него, а будучи закрыт с одного конца, может служить измерительной кюветой. The inventive sensor is a dielectric pipe 1 (Fig 1 and 2), the outer cylindrical surface of which is covered with a layer of metal 2 (Fig 1 and 2), playing the role of a grounded base. On the inner cylindrical surface of the dielectric pipe, strip conductors 3 and 4 are diametrically opposed to each other (Figs. 1 and 2). In the grounded base 2, windows 5 and 6 are made (Figs. 1 and 2), in which the contact pads 7 and 8 (Figs. 1 and 2) are applied, due to which the capacitive coupling of the strip conductors 3 and 4 with the transmission lines is carried out. For measurements, the inventive sensor can be mounted in a section of the pipeline, or in the branch from it, and when closed at one end, it can serve as a measuring cell.

Ни Фиг.3 приведена амплитудно-частотная характеристика датчика (сплошная линия). Она имеет две особенности, первая из которых полюс затухания - острый минимум прохождения сигнала, частотное положение которого обозначено f_p, вторая особенность - максимум прохождения, частотное положение которого обозначено f_r. Максимум прохождения обусловлен полуволновыми резонансами, возбуждаемыми в полосковых проводниках. Его частотное положение зависит от конструктивных параметров датчика, таких как длина полосковых проводников и их ширина, толщина стенки диэлектрической трубы и диэлектрическая проницаемость материала, из которого она изготовлена. Кроме того, частота максимума зависит от диэлектрической проницаемости материала, заполняющего трубу. Полюс затухания обусловлен компенсацией частотно-зависимых емкостного (электрического) и индуктивного (магнитного) взаимодействий между полосковыми проводниками. Его частотное положение также определяется конструктивными параметрами датчика и существенным образом зависит от диэлектрической проницаемости материала, заполняющего трубу, так как от ее величины зависит величина емкостного взаимодействия между полосковыми проводниками [2]. На Фиг. 3 для иллюстрации вышесказанного штрихованной линией приведена АЧХ датчика, заполненного материалом с диэлектрической проницаемостью ε =3. Глубина полюса, т.е. величина затухания в нем, существенным образом зависит от величины диэлектрических потерь в образце [2]. Поскольку полосковые проводники заявляемого датчика расположены диаметрально противоположно, то энергия высокочастотного электрического поля на частоте измерения будет распределена почти равномерно во всем объеме датчика, в отличие от датчика-прототипа, а следовательно, представительность измеряемой предлагаемым датчиком пробы будет значительно выше.Figure 3 shows the amplitude-frequency characteristic of the sensor (solid line). It has two features, the first of which is the attenuation pole — the sharp minimum of the signal passage, whose frequency position is denoted by f _p , and the second feature is the maximum transmission, whose frequency position is denoted by f _r . The maximum transmission is due to half-wave resonances excited in strip conductors. Its frequency position depends on the design parameters of the sensor, such as the length of the strip conductors and their width, the wall thickness of the dielectric tube and the dielectric constant of the material from which it is made. In addition, the frequency of the maximum depends on the dielectric constant of the material filling the pipe. The attenuation pole is due to the compensation of frequency-dependent capacitive (electrical) and inductive (magnetic) interactions between the strip conductors. Its frequency position is also determined by the design parameters of the sensor and substantially depends on the dielectric constant of the material filling the pipe, since the magnitude of the capacitive interaction between the strip conductors depends on its value [2]. In FIG. 3 to illustrate the above, the dashed line shows the frequency response of the sensor filled with a material with a dielectric constant ε = 3. Pole depth i.e. the attenuation in it substantially depends on the magnitude of the dielectric loss in the sample [2]. Since the strip conductors of the inventive sensor are diametrically opposed, the energy of the high-frequency electric field at the measurement frequency will be distributed almost evenly throughout the sensor, unlike the prototype sensor, and therefore, the representativeness of the sample measured by the proposed sensor will be significantly higher.

Для проведения измерений датчик одной из контактных площадок, например 7, подключается к генератору качающейся частоты, а второй контактной площадкой 8 - к схеме, измеряющей частоту минимума прохождения сигнала, и по ее значению определяется диэлектрическая проницаемость образца. По мощности сигнала в минимуме определяются диэлектрические потери. Для измерения жидкости, имеющей постоянную величину диэлектрических потерь, измерительная схема значительно упрощается. В этом случае к одной из контактных площадок подключается стабильный СВЧ-генератор, а ко второй - измеритель мощности. Частота генератора выбирается такой, чтобы она попадала на склон АЧХ вблизи полюса затухания. При изменении диэлектрической проницаемости измеряемой жидкости в результате смещения полюса, вызванного этим изменением, уровень прошедшего датчик сигнала меняется и, таким образом, по его величине определяется искомая величина. For measurements, the sensor of one of the contact pads, for example 7, is connected to a oscillating frequency generator, and the second contact pad 8 is connected to a circuit that measures the frequency of the minimum signal transmission, and the dielectric constant of the sample is determined by its value. The signal power at a minimum determines the dielectric loss. To measure a fluid having a constant dielectric loss, the measurement circuit is greatly simplified. In this case, a stable microwave generator is connected to one of the pads, and a power meter is connected to the second. The generator frequency is chosen so that it falls on the slope of the frequency response near the attenuation pole. When the dielectric constant of the measured liquid changes as a result of a pole shift caused by this change, the level of the signal transmitted by the sensor changes and, thus, the desired value is determined from its value.

Определять диэлектрические характеристики исследуемой жидкости можно и по максимуму прохождения СВЧ-сигнала через датчик, т.е. по частоте максимума и уровню потерь на его частоте. The dielectric characteristics of the studied liquid can also be determined by the maximum transmission of the microwave signal through the sensor, i.e. by the frequency of the maximum and the level of losses at its frequency.

ЛИТЕРАТУРА
1. А.с. СССР 420957, кл. G 01 R 27/26.LITERATURE
1. A.S. USSR 420957, class G 01 R 27/26.

2. Б.А. Беляев, А.А. Лексиков, В.В. Тюрнев, Ю.Г. Шихов. Приборы техника эксперимента, 1997, 3, с.112-115 (прототип). 2. B.A. Belyaev, A.A. Lexikov, V.V. Tyurnev, Yu.G. Shikhov. Instruments experimental technique, 1997, 3, p.112-115 (prototype).

Claims

A sensor for measuring the dielectric characteristics of a liquid, containing a dielectric substrate, on one side of which a grounded metallized base is applied, and on the second two strip conductors are applied, electromagnetically coupled to each other, characterized in that the dielectric substrate is in the form of a pipe, and in the grounded base deposited on the outer cylindrical surface of the pipe; windows are made in which contact pads for capacitive coupling of strip conductors with transmission lines are located.