RU2285913C1

RU2285913C1 - Device for measuring physical properties of liquid

Info

Publication number: RU2285913C1
Application number: RU2005105211/09A
Authority: RU
Inventors: Александр Михайлович Ершов (RU); Александр Михайлович Ершов; Алексей Алексеевич Маслов (RU); Алексей Алексеевич Маслов; Борис Федорович Петров (RU); Борис Федорович Петров; Александр Сергеевич Совлуков (RU); Александр Сергеевич Совлуков; Валерий Яковлевич Фатеев (RU); Валерий Яковлевич Фатеев; Андрей Олегович Фицнер (RU); Андрей Олегович Фицнер
Priority date: 2005-02-28
Filing date: 2005-02-28
Publication date: 2006-10-20
Also published as: RU2005105211A

Abstract

FIELD: investigating or analyzing materials.

SUBSTANCE: device comprises sensor that is made of a section of long line composed of metallic cylinder and conductor arranged inside the cylinder and parallel to it and electronic unit for exciting electromagnetic oscillations in the section of long line and measuring resonance frequency. The first end of the inner conductor and metallic cylinder are connected with the electronic unit. The inner conductor is U-shaped, and reactive resistance is connected between the second end of the conductor and metallic cylinder. The inner U-shaped conductor may be coated with dielectric shell. The plate that seals the measuring space is mounted at the top end of the long line between its conductors and parallel to them.

EFFECT: enhanced precision.

2 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения различных физических свойств (концентрации, смеси веществ, влагосодержания, плотности и др.) жидкостей, находящихся в емкостях (технологических резервуарах, измерительных ячейках и т.п.). В частности, оно может быть применено в пищевой промышленности для измерения концентрации коптильных препаратов, водо-спиртовых растворов и др.The invention relates to measuring equipment and can be used for high-precision determination of various physical properties (concentration, mixture of substances, moisture content, density, etc.) of liquids in containers (process tanks, measuring cells, etc.). In particular, it can be used in the food industry to measure the concentration of smoking preparations, water-alcohol solutions, etc.

Известны различные устройства для определения физических свойств жидкостей, основанные на измерении электрофизических параметров (диэлектрической проницаемости или (и) тангенса угла диэлектрических потерь) жидкостей с применением радиоволновых ВЧ и СВЧ резонаторов, содержащих контролируемую жидкость (монографии: Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. - М.: Физматгиз. 1963. Стр.37-144; Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. - М.: Наука. 1989. Стр.168-177). Недостатком таких измерительных устройств является их ограниченная область применения, обусловленная возможностью контроля жидкостей, являющихся достаточно хорошими диэлектриками: для диэлектрических жидкостей с большими диэлектрическими потерями добротность резонаторов может быть малой величиной и, соответственно, фиксируемые значения информативных сигналов малы для надежной регистрации.There are various devices for determining the physical properties of liquids based on the measurement of the electrophysical parameters (dielectric constant or (and) the dielectric loss tangent) of liquids using radio wave RF and microwave resonators containing a controlled liquid (monographs: A. Brandt, Investigation of superhigh dielectrics frequencies. - M .: Fizmatgiz. 1963. Pages 37-144; Viktorov V.A., Lunkin B.V., Sovlukov A.S. Radio wave measurements of technological process parameters.- M .: Nauka. 1989. P. 168 -177). The disadvantage of such measuring devices is their limited scope, due to the ability to control liquids that are sufficiently good dielectrics: for dielectric liquids with high dielectric losses, the quality factor of the resonators can be small and, accordingly, the recorded values of informative signals are small for reliable recording.

Известно также техническое решение (монография: Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. - М.: Физматгиз. 1963. Стр.125-133), которое по технической сущности наиболее близко к предлагаемому устройству и принято в качестве прототипа. Это устройство-прототип содержит чувствительный элемент (измерительную ячейку) в виде отрезка коаксиальной длинной линии, являющегося резонатором с колебаниями основного типа ТЕМ (Transverse ElectroMagnetic mode), подключаемого к электронному блоку для возбуждения в отрезке длинной линии электромагнитных колебаний и измерения его резонансной частоты.There is also a technical solution (monograph: A. Brandt. Investigation of dielectrics at microwave frequencies. - M .: Fizmatgiz. 1963. Pages 125-133), which, by its technical essence, is closest to the proposed device and adopted as a prototype. This prototype device contains a sensitive element (measuring cell) in the form of a segment of a coaxial long line, which is a resonator with oscillations of the main type TEM (Transverse ElectroMagnetic mode), connected to an electronic unit to excite electromagnetic waves in a long line segment and measure its resonant frequency.

Недостатком этого устройства-прототипа является ограниченная область применения, обусловленная возможностью контроля лишь веществ, являющихся достаточно хорошими диэлектриками. Как и в устройствах-аналогах, заполнение пространства между проводниками коаксиального резонатора приводит к значительному снижению его добротности и, как следствие, затруднениям с регистрацией информативного сигнала (резонансной частоты электромагнитных колебаний отрезка длинной линии). При попытках расширить область применения устройства-прототипа, сделав его пригодным для контроля жидкостей с произвольными электрофизическими параметрами путем покрытия его внутреннего проводника диэлектрической оболочкой, возникает другая трудность: в качестве внутреннего проводника отрезка длинной линии невозможно использовать стандартные провода с электрической изоляцией, что весьма целесообразно делать на практике. Это вызвано тем, что при использовании таких проводов возникает необходимость применения специальных мер по герметизации концевых участков этих проводов для исключения электрического контакта между этим проводником и контролируемой жидкостью, являющейся несовершенным диэлектриком с достаточно большой величиной проводимости. На практике осуществление такой герметизации создает дополнительные трудности при изготовлении, тем более серийном, таких устройств.The disadvantage of this prototype device is the limited scope, due to the ability to control only substances that are sufficiently good dielectrics. As in analog devices, filling the space between the conductors of the coaxial resonator leads to a significant decrease in its Q factor and, as a result, difficulties in registering an informative signal (resonant frequency of electromagnetic oscillations of a long line segment). When trying to expand the scope of the prototype device, making it suitable for controlling liquids with arbitrary electrophysical parameters by coating its inner conductor with a dielectric sheath, another difficulty arises: it is impossible to use standard wires with electrical insulation as the inner conductor of a long line segment, which is very advisable to do on practice. This is because when using such wires, it becomes necessary to apply special measures to seal the end sections of these wires to exclude electrical contact between this conductor and the controlled fluid, which is an imperfect dielectric with a sufficiently large conductivity. In practice, the implementation of such sealing creates additional difficulties in the manufacture, especially the serial, of such devices.

Целью предлагаемого изобретения является расширение области применения за счет обеспечения возможности контроля жидкостей с произвольными электрофизическими параметрами, включая те, которые являются несовершенными диэлектриками с большой величиной проводимости.The aim of the invention is to expand the scope by providing the ability to control liquids with arbitrary electrophysical parameters, including those that are imperfect dielectrics with high conductivity.

Поставленная цель в предлагаемом устройстве для измерения физических свойств жидкости, содержащем располагаемый в контролируемой жидкости чувствительный элемент, представляющий собой отрезок длинной линии в виде совокупности металлического цилиндра и расположенного внутри него и параллельно ему внутреннего проводника, и электронный блок для возбуждения в отрезке длинной линии электромагнитных колебаний и измерения резонансной частоты, к которому подключены первым концом внутренний проводник и металлический цилиндр, обеспечивается тем, что внутренний проводник имеет U-образную форму, между вторым концом которого и металлическим цилиндром подключено реактивное сопротивление. Внутренний U-образный проводник отрезка длинной линии может быть покрыт диэлектрической оболочкой. Реактивное сопротивление может быть равным нулю или бесконечности путем, соответственно, подсоединения накоротко второго конца внутреннего U-образного проводника к металлическому цилиндру и размыкания этого проводника и металлического цилиндра. В последнем случае второй конец внутреннего U-образного проводника может быть подсоединен к электронному блоку или к первому концу этого проводника. У верхнего конца отрезка длинной линии между его проводниками перпендикулярно им может быть размещена диэлектрическая пластина, герметично фиксирующая измерительный объем.The goal in the proposed device for measuring the physical properties of a liquid, containing a sensing element located in a controlled liquid, which is a segment of a long line in the form of a combination of a metal cylinder and an inner conductor located inside and parallel to it, and an electronic unit for excitation of electromagnetic waves in a long line and measuring the resonant frequency to which the first conductor and the metal cylinder are connected, provides The fact that the inner conductor has a U-shape, between the second end of which and the metal cylinder is connected reactance. The inner U-shaped conductor of the long line segment can be coated with a dielectric sheath. The reactance can be equal to zero or infinity by, respectively, connecting the second end of the inner U-shaped conductor to the metal cylinder shortly and opening this conductor and the metal cylinder. In the latter case, the second end of the inner U-shaped conductor can be connected to the electronic unit or to the first end of this conductor. At the upper end of a long line segment between its conductors, a dielectric plate can be placed perpendicular to it, hermetically fixing the measuring volume.

Существенными отличительными признаками, по мнению авторов, являются: 1) внутренний проводник отрезка длинной линии имеет U-образную форму; 2) подключение между вторым концом внутреннего проводника и металлическим цилиндром реактивного сопротивления; 3) внутренний U-образный проводник отрезка длинной линии может быть покрыт диэлектрической оболочкой; 4) выбор реактивного сопротивления равным нулю путем подсоединения накоротко второго конца внутреннего U-образного проводника к металлическому цилиндру; 5) выбор реактивного сопротивления равным бесконечности путем размыкания второго конца внутреннего U-образного проводника и металлического цилиндра; 6) подсоединение второго конца внутреннего U-образного проводника к электронному блоку; 7) подсоединение второго конца внутреннего U-образного проводника к его первому концу.The essential distinguishing features, according to the authors, are: 1) the inner conductor of the long line segment is U-shaped; 2) the connection between the second end of the inner conductor and the metal cylinder of reactance; 3) the inner U-shaped conductor of the long line segment can be coated with a dielectric sheath; 4) the choice of reactance equal to zero by short-circuiting the second end of the inner U-shaped conductor to a metal cylinder; 5) the choice of reactance equal to infinity by opening the second end of the inner U-shaped conductor and the metal cylinder; 6) connecting the second end of the inner U-shaped conductor to the electronic unit; 7) connecting the second end of the inner U-shaped conductor to its first end.

Совокупность отличительных признаков предлагаемого устройства обусловливает его новое свойство: возможность измерения физических свойств жидкости с произвольными электрофизическими параметрами, включая те, которые являются несовершенными диэлектриками с большой величиной проводимости.The combination of distinctive features of the proposed device determines its new property: the ability to measure the physical properties of a liquid with arbitrary electrophysical parameters, including those that are imperfect dielectrics with a large conductivity.

Данное свойство обеспечивает полезный эффект, сформулированный в цели предложения.This property provides a useful effect formulated for the purpose of the proposal.

На фиг.1 изображена конструкция отрезка длинной линии, имеющей U-образный внутренний проводник: а) внутренний проводник без диэлектрической оболочки; б) внутренний проводник, покрытый диэлектрической оболочкой. На фиг.2 - варианты конструкции устройства, содержащего подключенные к электронному блоку проводники отрезка длинной линии. На фиг.3 приведена дифференциальная схема устройства с рабочим и опорным измерительными каналами.Figure 1 shows the construction of a segment of a long line having a U-shaped inner conductor: a) an inner conductor without a dielectric sheath; b) an inner conductor coated with a dielectric sheath. Figure 2 - options for the design of a device containing connected to the electronic unit conductors of a segment of a long line. Figure 3 shows the differential circuit of the device with a working and reference measuring channels.

Здесь введены обозначения: 1 - контролируемая жидкость, 2 - U-образный внутренний проводник, 3 - металлический цилиндр, 4 - диэлектрическая оболочка, 5 - диэлектрическая изолирующая пластина, 6 - электронный блок, 7 - реактивное сопротивление, 8 - автогенератор, 9 - делитель частоты, 10 - вычитающее устройство, 11 - индикатор.The designations are introduced here: 1 - controlled fluid, 2 - U-shaped inner conductor, 3 - metal cylinder, 4 - dielectric sheath, 5 - dielectric insulating plate, 6 - electronic block, 7 - reactance, 8 - self-oscillator, 9 - divider frequency, 10 - subtractor, 11 - indicator.

Чувствительный элемент в виде отрезка длинной линии погружается в емкость с контролируемой жидкостью 1 или может быть заполнен ею для проведения измерений. Такой чувствительный элемент, изображенный схематически на фиг.1, содержит U-образный внутренний проводник 2 и металлический цилиндр 3, служащий экраном. Внутренний проводник 2 может быть покрыт диэлектрической оболочкой 4. Диэлектрическая изолирующая пластина 5, герметично фиксирующая измерительный объем, может быть размещена у верхнего конца отрезка длинной линии между его проводниками перпендикулярно им; она препятствует проникновению контролируемой жидкости в зону расположения элементов электронного блока 6 (в частности, электрической схемы автогенератора). Это позволяет предотвратить нарушение работоспособности схемы автогенератора и тем самым обеспечить нормальные условия функционирования измерительного устройства. Кроме этого, введение указанной диэлектрической изолирующей пластины обеспечивает получение постоянного объема контролируемой жидкости, что требуется для проведения высокоточных измерений.The sensitive element in the form of a segment of a long line is immersed in a container with a controlled liquid 1 or can be filled with it for measurements. Such a sensor element, shown schematically in FIG. 1, comprises a U-shaped inner conductor 2 and a metal cylinder 3 serving as a screen. The inner conductor 2 can be covered with a dielectric sheath 4. A dielectric insulating plate 5, hermetically fixing the measuring volume, can be placed at the upper end of a long line segment between its conductors perpendicular to it; it prevents the penetration of the controlled fluid into the area of the elements of the electronic unit 6 (in particular, the circuitry of the oscillator). This allows you to prevent the malfunction of the circuit of the oscillator and thereby ensure normal operating conditions of the measuring device. In addition, the introduction of the specified dielectric insulating plate provides a constant volume of the controlled fluid, which is required for high-precision measurements.

Устройство работает следующим образом. Отрезок длинной линии, образуемый совокупностью внутреннего U-образного проводника 2 и металлического цилиндра 3, подключен к электронному блоку 6. С его применением в данном отрезке длинной линии - высокочастотном резонаторе - возбуждают электромагнитные колебания (обычно в мегагерцевом диапазоне частот электромагнитных волн). В этом же блоке производятся определение резонансной частоты электромагнитных колебаний отрезка линии, служащей информативным параметром, и регистрация соответствующего значения измеряемого физического свойства жидкости (концентрации смеси веществ, влагосодержания, плотности и др.). Физические свойства контролируемой жидкости 1 в свою очередь функционально зависят от ее электрофизических параметров, в частности от диэлектрической проницаемости. Резонансная частота электромагнитных колебаний такого отрезка длинной линии изменяется при погружении в контролируемую жидкость 1, при котором она заполняет пространство между внутренним проводником 2 и металлическим цилиндром 3. Значения резонансной частоты зависят также от геометрических размеров чувствительного элемента.The device operates as follows. A long line segment, formed by a combination of an internal U-shaped conductor 2 and a metal cylinder 3, is connected to the electronic unit 6. With its use in this segment of a long line - a high-frequency resonator - electromagnetic waves (usually in the megahertz frequency range of electromagnetic waves) are excited. In the same block, the resonance frequency of electromagnetic oscillations of a line segment serving as an informative parameter is determined and the corresponding value of the measured physical property of the liquid is recorded (concentration of the mixture of substances, moisture content, density, etc.). The physical properties of the controlled fluid 1, in turn, functionally depend on its electrophysical parameters, in particular on the dielectric constant. The resonant frequency of electromagnetic oscillations of such a segment of a long line changes when immersed in a controlled fluid 1, at which it fills the space between the inner conductor 2 and the metal cylinder 3. The values of the resonant frequency also depend on the geometric dimensions of the sensitive element.

В качестве электронного блока 6 может быть применен автогенератор, в частотозадающую цепь которого подключен рассматриваемый отрезок длинной линии. Частота автогенератора, зависящая функционально от резонансной частоты отрезка длинной линии, служит информативным параметром. При изменении электрофизических свойств контролируемой жидкости происходит изменение резонансной частоты отрезка длинной линии и, соответственно, изменение частоты автогенератора. Измеряя ее, можно найти текущее значение определяемого физического свойства контролируемой жидкости.As an electronic unit 6, a self-oscillator can be used, in the frequency setting circuit of which the considered segment of a long line is connected. The frequency of the oscillator, which depends functionally on the resonant frequency of a long line segment, serves as an informative parameter. When the electrophysical properties of the controlled fluid change, the resonance frequency of the long line segment changes and, accordingly, the oscillator frequency changes. By measuring it, you can find the current value of the determined physical properties of the controlled fluid.

Выбор указанной конструкции чувствительного элемента обусловлен тем, что в качестве U-образного внутреннего проводника можно применять стандартные провода с электрической изоляцией, не прибегая к специальным мерам по герметизации концевых участков этих проводов. Следует также отметить, что для оптимизации метрологических характеристик чувствительного элемента, имеющего на проводниках диэлектрическое покрытие, часто возникает необходимость подбирать толщину такого покрытия в зависимости от электрофизических параметров контролируемой жидкости. Однако ограниченный ассортимент проводов и изоляционных трубок, выпускаемых промышленностью, а также необходимость производить механические манипуляции с чувствительным элементом (изменение диаметров отверстий в диэлектрической изолирующей пластине, через которые проходят проводники, замена проводов изоляционных оболочек) делает процедуру подбора указанной толщины покрытия достаточно трудоемкой.The choice of the design of the sensitive element is due to the fact that standard wires with electrical insulation can be used as a U-shaped inner conductor without resorting to special measures to seal the end sections of these wires. It should also be noted that in order to optimize the metrological characteristics of a sensitive element having a dielectric coating on conductors, it is often necessary to select the thickness of such a coating depending on the electrophysical parameters of the controlled fluid. However, the limited assortment of wires and insulating tubes manufactured by the industry, as well as the need to perform mechanical manipulations with the sensitive element (changing the diameters of the holes in the dielectric insulating plate through which the conductors pass, replacing the wires of the insulating shells) makes the selection procedure for the specified coating thickness rather laborious.

Поэтому преимуществом чувствительного элемента с U-образной конструкцией внутреннего проводника является также то, что вышеуказанная оптимизация может быть осуществлена электрически, т.е. с помощью подключения некоторого нагрузочного реактивного сопротивления Z (сосредоточенной емкости, индуктивности) между одним из концов U-образного проводника 2 и металлическим цилиндром 3 (фиг.2,а). При наличии такого реактивного сопротивления имеется возможность регулировать распределение запасаемой в рассматриваемом резонаторе электромагнитной энергии в разных его частях (элементах). В частности, реактивное сопротивление Z может быть нулевым (Z=0) при соединении накоротко внутреннего проводника с металлическим цилиндром (фиг.2,б) или равным бесконечности (Z=∝) при размыкании другого конца внутреннего проводника и металлического цилиндра (фиг.2,в). Так, при контроле жидкостей, являющихся достаточно хорошими диэлектриками, предпочтительнее использовать чувствительный элемент с Z=0, а при контроле жидкостей со значительными диэлектрическими потерями - чувствительный элемент с Z=∝. Обусловлено это тем, что в первом случае (Z=0) в измерительном объеме, содержащем только контролируемую жидкость, сконцентрирована в основном энергия электрического поля. Поэтому такой чувствительный элемент при контроле хороших диэлектриков имеет высокую чувствительность; добротность такого резонатора достаточно высокая (хорошие диэлектрики имеют в большинстве случаев малую диэлектрическую проницаемость и поэтому основное требование к чувствительному элементу - это обеспечение достаточно высокой чувствительности). Во втором случае (Z=∝) энергия электрического поля сосредоточена преимущественно вне измерительного объема. Это позволяет сохранять высокую добротность соответствующего резонатора и при контроле жидкостей, являющихся несовершенными диэлектриками.Therefore, the advantage of the sensor element with a U-shaped design of the inner conductor is also that the above optimization can be carried out electrically, i.e. by connecting some load reactance Z (lumped capacitance, inductance) between one of the ends of the U-shaped conductor 2 and the metal cylinder 3 (Fig. 2, a). In the presence of such reactance, it is possible to regulate the distribution of electromagnetic energy stored in the resonator in question in its various parts (elements). In particular, the reactance Z can be zero (Z = 0) when the inner conductor is short-circuited with a metal cylinder (Fig. 2, b) or equal to infinity (Z = ∝) when the other end of the inner conductor and the metal cylinder are disconnected (Fig. 2 ,at). So, when controlling liquids that are sufficiently good dielectrics, it is preferable to use a sensitive element with Z = 0, and when controlling liquids with significant dielectric losses, a sensitive element with Z = ∝. This is due to the fact that in the first case (Z = 0), the energy of the electric field is concentrated mainly in the measuring volume containing only the controlled liquid. Therefore, such a sensitive element in the control of good dielectrics has a high sensitivity; the quality factor of such a resonator is quite high (good dielectrics in most cases have a low dielectric constant and therefore the main requirement for a sensitive element is to ensure a sufficiently high sensitivity). In the second case (Z = ∝), the electric field energy is concentrated mainly outside the measuring volume. This allows you to maintain a high quality factor of the corresponding resonator when controlling liquids that are imperfect dielectrics.

Тем самым при контроле жидкостей со значительными диэлектрическими потерями можно увеличивать в реактивном нагрузочном элементе резонатора относительную долю запасаемой в нем электромагнитной энергии и, следовательно, повышать добротность резонатора. Высокое значение (не менее 10) добротности необходимо иметь для обеспечения величины (амплитуды) регистрируемого сигнала (резонансного импульса), достаточной для измерения и преобразования информативного сигнала (резонансной частоты).Thus, when controlling liquids with significant dielectric losses, the relative fraction of the electromagnetic energy stored in it can be increased in the reactive loading element of the resonator and, therefore, the quality factor of the resonator can be increased. A high value (at least 10) of the Q factor must be possessed to ensure the magnitude (amplitude) of the recorded signal (resonant pulse), sufficient to measure and convert the informative signal (resonant frequency).

При экспериментальных исследованиях сопротивление нагрузки отрезка длинной линии можно изменять достаточно легко при минимальных затратах труда и времени. Иногда также может представлять практический интерес возбуждение электромагнитных колебаний в чувствительном элементе с U-образным внутренним проводником 2 как в отрезке экранированной симметричной двухпроводной длинной линии короткозамкнутом на конце, противоположном точкам возбуждения колебаний (фиг.2,г); отрезок длинной линии является в этом случае четвертьволновым резонатором. При этом металлический цилиндр 3, служащий экраном, подключен к металлическому корпусу электронного блока 6 и не соединен электрически с рассматриваемым отрезком двухпроводной длинной линии. Такой вариант подключения может быть применен при работе устройства в условиях сильных внешних электромагнитных полей (работающие сварочные аппараты, установки ВЧ-нагрева и т.п.). Такие помехи воздействуют синфазно на оба проводника отрезка симметричной двухпроводной линии; поэтому они компенсируются в электронном блоке и не оказывают влияние на его работу. Возможно также соединение обоих концов внутреннего U-образного проводника друг с другом и с электронным блоком (фиг.2,д). В этом случае отрезок длинной линии является полуволновым резонатором при возбуждении колебаний в нем через электрическую емкость малой величины (~1-10 пФ) или четвертьволновым резонатором при подключении катушки индуктивности (~1-10 мкГн) к точке возбуждения колебаний. Преимуществом данной конструкции является более высокая добротность резонатора в случае значительных габаритов чувствительного элемента (при контроле усредненных значений физических свойств жидкостей в емкостях больших размеров - цистернах и т.п.). Это объясняется уменьшением в два раза электрической длины внутреннего проводника и, соответственно, уменьшением омических потерь в нем и, следовательно, увеличением добротности рассматриваемого резонатора.In experimental studies, the load resistance of a segment of a long line can be changed quite easily with minimal labor and time. Sometimes it may also be of practical interest to excite electromagnetic waves in a sensitive element with a U-shaped inner conductor 2 as in a segment of a shielded symmetrical two-wire long line short-circuited at the end opposite to the points of excitation of the oscillations (Fig. 2, d); the long line segment is in this case a quarter-wave resonator. In this case, the metal cylinder 3, which serves as a screen, is connected to the metal case of the electronic unit 6 and is not electrically connected to the considered segment of the two-wire long line. This connection option can be applied when the device is operating in conditions of strong external electromagnetic fields (working welding machines, RF heating installations, etc.). Such interference acts in phase on both conductors of a piece of symmetrical two-wire line; therefore, they are compensated in the electronic unit and do not affect its operation. It is also possible to connect both ends of the inner U-shaped conductor with each other and with the electronic unit (Fig.2, e). In this case, the long-line segment is a half-wave resonator upon excitation of oscillations in it through an electric capacitance of small magnitude (~ 1-10 pF) or a quarter-wave resonator when an inductance coil (~ 1-10 μH) is connected to the oscillation excitation point. The advantage of this design is a higher quality factor of the resonator in case of significant dimensions of the sensitive element (when controlling the averaged values of the physical properties of liquids in large tanks - tanks, etc.). This is explained by a halving of the electric length of the inner conductor and, accordingly, a decrease in ohmic losses in it and, consequently, an increase in the quality factor of the resonator under consideration.

В конструкции чувствительного элемента - отрезка длинной линии - обеспечивается возможность заполнения контролируемой жидкостью всего пространства между проводниками отрезка длинной линии за счет выполнения малых отверстий в металлическом цилиндре. Наличие таких отверстий практически не сказывается на электрических характеристиках резонатора.In the design of the sensitive element - the long line segment - it is possible to fill the entire space between the conductors of the long line segment with controlled fluid by making small holes in the metal cylinder. The presence of such holes practically does not affect the electrical characteristics of the resonator.

Для устранения влияния внешних условий (изменений температуры и др.) на результаты измерений и, следовательно, повышения точности измерений рекомендуется проводить измерения с применением двухканальной схемы измерений. На фиг.3 приведена дифференциальная структурная схема рассматриваемого высокочувствительного устройства, построенная по двухканальному принципу. Она содержит два идентичных измерительных канала - рабочий и опорный. Каждый из этих каналов содержит отрезок длинной линии с внутренним U-образным проводником 2 и металлическим цилиндром 3, автогенератор 8, делитель частоты 9. С выхода делителя частоты каждого из каналов сигналы поступают на вычитающее устройство 10. К его выходу подключен индикатор 11, показывающий текущее значение измеряемого параметра. Отрезок длинной линии включен в частотозадающую цепь автогенератора 8 и определяет его частоту генерации. Обычно генерируемые частоты лежат в диапазоне 1-100 МГц и зависят в основном от геометрических параметров чувствительного элемента, от физических свойств контролируемой жидкости. С выхода автогенератора высокочастотные колебания поступают на делитель частоты 9, в котором производится уменьшение (деление) частоты автогенератора до приемлемых значений (10-100 кГц). Вычитающее устройство 10 может быть реализовано на базе как цифровых, так и аналоговых схем; соответственно, выходной сигнал вычитающего устройства, являющегося выходным сигналом измерительного устройства, может также быть цифровым или аналоговым.To eliminate the influence of external conditions (temperature changes, etc.) on the measurement results and, therefore, increase the accuracy of measurements, it is recommended to carry out measurements using a two-channel measurement scheme. Figure 3 shows the differential structural diagram of the considered highly sensitive device, built on a two-channel principle. It contains two identical measuring channels - working and reference. Each of these channels contains a segment of a long line with an internal U-shaped conductor 2 and a metal cylinder 3, an oscillator 8, a frequency divider 9. From the output of the frequency divider of each channel, the signals are fed to a subtractor 10. An indicator 11 is connected to its output, showing the current value of the measured parameter. A segment of a long line is included in the frequency setting circuit of the oscillator 8 and determines its frequency of generation. Typically, the generated frequencies lie in the range of 1-100 MHz and depend mainly on the geometric parameters of the sensing element, on the physical properties of the controlled fluid. From the output of the oscillator, high-frequency oscillations are transmitted to a frequency divider 9, in which the oscillator frequency is reduced (divided) to acceptable values (10-100 kHz). The subtractor 10 can be implemented on the basis of both digital and analog circuits; accordingly, the output of the subtractor, which is the output of the measuring device, can also be digital or analog.

Отрезок длинной линии в опорном канале помещается в эталонную жидкость, например в воду, используемую при приготовлении коптильных препаратов. Отрезок длинной линии в рабочем (измерительном) канале помещается в контролируемую жидкость. Так как оба канала - измерительный и опорный - находятся в одинаковых внешних условиях, то все возможные возмущающие воздействия приводят к одинаковым изменениям частот автогенераторов. Поэтому влияние этих воздействий на результаты измерений практически отсутствует.A segment of a long line in the reference channel is placed in a reference liquid, for example, in water used in the preparation of smoke preparations. A segment of a long line in the working (measuring) channel is placed in a controlled fluid. Since both channels - measuring and reference - are in the same external conditions, all possible disturbing influences lead to the same changes in the frequencies of the oscillators. Therefore, the influence of these effects on the measurement results is practically absent.

Эксперименты с различными жидкостями подтверждают эффективность рассматриваемого устройства для измерения различных физических свойств жидкостей. Например, в экспериментах применялась конструкция отрезка длинной линии длиной 100 мм, внутренним диаметром металлического цилиндра из нержавеющей стали 20 мм с U-образным внутренним проводником, покрытым диэлектрической (полихлорвиниловой) оболочкой. Этот внутренний проводник одним концом подсоединен к электронному блоку, а другой его конец разомкнут (в этом случае Z=∝.) Диаметр U-образного медного проводника вместе с оболочкой равен 2 мм, а без оболочки - 1,2 мм. Части U-образного проводника расположены симметрично относительно продольной оси металлического цилиндра; расстояние между этими частями внутреннего проводника равно 7 мм. При этом в отсутствие контролируемой жидкости резонансная частота электромагнитных колебаний составила 13 МГц. При погружении такого отрезка длинной линии в воду резонансная частота уменьшилась до значения 9 МГц. При контроле концентрации коптильных препаратов, используемых в пищевой промышленности, в диапазоне значений их концентрации 0-1% соответствующее изменение (уменьшение) резонансной частоты относительно ее значения при полном заполнении резонатора водой составило 3% (270 кГц). Такие эксперименты подтверждают возможность, во-первых, высокоточного измерения физических свойств жидкостей, имеющих большие диэлектрические потери, во-вторых, возможность измерения малых значений концентрации смеси жидкостей, каждая из которых имеет большие диэлектрические потери.Experiments with various liquids confirm the effectiveness of the device in question for measuring various physical properties of liquids. For example, the experiments used the design of a long line segment with a length of 100 mm, an inner diameter of a stainless steel metal cylinder of 20 mm with a U-shaped inner conductor, covered with a dielectric (polyvinyl chloride) sheath. This inner conductor is connected to the electronic unit at one end and the other end is open (in this case Z = ∝.) The diameter of the U-shaped copper conductor with the sheath is 2 mm, and without the sheath - 1.2 mm. Parts of the U-shaped conductor are located symmetrically with respect to the longitudinal axis of the metal cylinder; the distance between these parts of the inner conductor is 7 mm. In the absence of a controlled fluid, the resonant frequency of electromagnetic oscillations was 13 MHz. When such a section of a long line was immersed in water, the resonance frequency decreased to 9 MHz. When controlling the concentration of smoking preparations used in the food industry, in the range of their concentration 0-1%, the corresponding change (decrease) in the resonance frequency relative to its value when the resonator was completely filled with water was 3% (270 kHz). Such experiments confirm the possibility, firstly, of high-precision measurement of the physical properties of liquids having large dielectric losses, and secondly, the possibility of measuring small concentrations of a mixture of liquids, each of which has large dielectric losses.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает возможность измерения физических свойств жидкостей с произвольными электрофизическими параметрами.Thus, the proposed device provides the ability to measure the physical properties of liquids with arbitrary electrophysical parameters.

Claims

1. A device for measuring the physical properties of a liquid, containing a disposable sensing element, which is a segment of a long line in the form of a combination of a metal cylinder and an inner conductor located inside and parallel to it, a dielectric plate, an electronic unit to which an inner conductor and a metal cylinder are connected, characterized the fact that the inner conductor is U-shaped and has two ends, one of which is connected to the electronic unit, is additionally equipped with a resistance, which is connected to the metal cylinder and to the other end of the inner conductor and located between them.

2. The device according to claim 1, characterized in that the inner conductor of the U-shaped is covered with a dielectric sheath.

3. The device according to claim 1, characterized in that the dielectric plate is placed in the upper part of the length of the long line between the metal cylinder and the inner conductor and perpendicular to them.