RU2634090C1 - Устройство для измерения физических свойств вещества в потоке - Google Patents
Устройство для измерения физических свойств вещества в потоке Download PDFInfo
- Publication number
- RU2634090C1 RU2634090C1 RU2016118020A RU2016118020A RU2634090C1 RU 2634090 C1 RU2634090 C1 RU 2634090C1 RU 2016118020 A RU2016118020 A RU 2016118020A RU 2016118020 A RU2016118020 A RU 2016118020A RU 2634090 C1 RU2634090 C1 RU 2634090C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- resonator
- substance
- dielectric
- waveguide
- rectangular
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N22/00—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
- G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
- G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
Использование: для контроля потоков неоднородных диэлектрических веществ. Сущность изобретения заключатся в том, что устройство для измерения физических свойств вещества в потоке содержит на измерительном участке волноводный резонатор, через сквозные отверстия в противоположных торцах которого вдоль его продольной оси пропущен диэлектрический трубопровод с контролируемым диэлектрическим веществом, подсоединенные к данному резонатору с помощью элементов связи генератор электромагнитных колебаний и электронный блок, при этом волноводный резонатор выполнен в виде прямоугольного волноводного резонатора, в котором возбуждены колебания типа H10n, n=1, 2, …, и в котором у каждой из его узких стенок установлена диэлектрическая вставка с тем же поперечным размером, что и у прямоугольного резонатора, ее продольный размер имеет величину , где L - длина резонатора в продольной плоскости, ε - диэлектрическая проницаемость материала каждой вставки. Технический результат: обеспечение возможности повышения точности измерения. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля потоков неоднородных диэлектрических веществ, у которых компоненты могут занимать произвольное положение при движении в трубопроводах, для высокоточного определения различных физических свойств (плотности, концентрации смеси веществ, влагосодержания и др.) неоднородных диэлектрических веществ (жидкостей, газов), перемещаемых по трубопроводам. Высокоточная информация о физических свойствах (плотности сыпучего вещества, сплошности газо-жидкостного потока) неоднородного диэлектрического вещества в потоке важна не только для контроля и регулирования технологических процессов, но и для определения массового расхода вещества, связанного с этими свойствами.
Известны различные устройства для определения физических свойств диэлектрических веществ в потоке, в частности перемещаемого по трубопроводу, основанные на измерении их электрофизических параметров с применением радиочастотных датчиков в виде полых волноводов, антенн, отрезков длинных линий и др. (монография: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Наука, 1989. С. 168-177). При неоднородном или переменном характере распределения вещества имеет место существенная погрешность измерения, поскольку электромагнитное поле в таких датчиках неоднородно на их измерительных участках, что приводит к погрешности измерения при изменения распределения такого вещества.
Известно также техническое решение (US 4104585 A, 01.08.1978), которое содержит описание устройства, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому устройству и принятого в качестве прототипа. Это устройство-прототип содержит волноводный объемный резонатор, через сквозные отверстия в противоположных торцах которого пропущен диэлектрический трубопровод с контролируемым диэлектрическим веществом. К резонатору подсоединены с помощью элементов связи генератор электромагнитных колебаний и электронный блок. Недостатком данного устройства является его невысокая точность при проведении измерений в реальных условиях, когда контролируемое диэлектрическое вещество изменяет характер своего распределения при его движении. При этом это вещество (его размеры, форма и расположение) смещается относительно картины неоднородного распределения электрического поля стоячей волны в резонаторе и, как следствие, изменяется значение информативного параметра - резонансной частоты электромагнитных колебаний резонатора, приводя к снижению точности измерения.
Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения.
Технический результат достигается тем, что предлагаемое устройство для измерения физических свойств вещества в потоке, содержащее на измерительном участке волноводный резонатор, через сквозные отверстия в противоположных торцах которого вдоль его продольной оси пропущен диэлектрический трубопровод с контролируемым диэлектрическим веществом, подсоединенные к данному резонатору с помощью элементов связи генератор электромагнитных колебаний и электронный блок. При этом волноводный резонатор выполнен в виде прямоугольного волноводного резонатора, в котором возбуждены электромагнитные колебания типа H10n, n=1, 2, …, и в котором у каждой из его узких стенок установлена диэлектрическая вставка с тем же поперечным размером, что и у прямоугольного резонатора, ее продольный размер имеет величину , где L - длина резонатора в продольной плоскости, ε - диэлектрическая проницаемость материала каждой вставки. Волноводный прямоугольный резонатор может быть скручен вдоль его продольной оси, по меньшей мере, на 90°.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3.
На фиг. 1 изображено поперечное сечение прямоугольного волновода с двумя диэлектрическими вставками и диэлектрической трубой, распределение в нем электрического поля.
На фиг. 2 изображен прямоугольный волноводный резонатор, скрученный вдоль продольной оси на 90°.
На фиг. 3 приведена функциональная схема устройства.
На фигурах показаны прямоугольный волновод 1, диэлектрические вставки 2 и 3, диэлектрическая труба 4, скрученный прямоугольный волноводный резонатор 5, участки трубопровода 6 и 7, прямоугольный волноводный резонатор 8, запредельные волноводы 9 и 10, элементы связи 11 и 12, генератор электромагнитных колебаний 13, электронный блок 14.
Устройство работает следующим образом.
Применение датчика на основе проточного волноводного резонатора с пропущенной вдоль его продольной оси диэлектрической трубой позволяет, при обеспечении равномерного характера распределения электрического поля в объеме резонатора, достигаемого в предлагаемом устройстве, обеспечивает измерение параметров физических свойств неоднородного диэлектрического вещества независимо от конфигурации потока, распределения в нем имеющихся неоднородностей.
Для этой цели необходимо иметь однородное распределение энергии электромагнитного поля в поперечном сечении волноводного резонатора. Такое приблизительно однородное распределение обеспечивается в волноводном резонаторе на основе прямоугольного волновода 1 (фиг. 1). На фиг. 1 показано распределение амплитуды напряженности электрического поля E в поперечном сечении прямоугольного волновода и волноводного резонатора на его основе. У противоположных широких сторон поперечного сечения прямоугольного волновода 1 вдоль его длины размещены диэлектрические вставки 2 и 3 с толщиной d и диэлектрической проницаемостью ε. В центральной свободной части поперечного сечения волновода с исходным типом волн H10 существует поле поперечные волны типа TEM (VanKoughnett A.L., Wyslouzil W.A waveguide TEM mode exposure chamber // Journal of Microwave Power. 1972, vol. 7, N 4, pp. 381-283). Эти волны являются поперечными (TEM), если выполнено следующее условие:
где λ - длина волны в свободном пространстве на используемой рабочей частоте.
Волноводный прямоугольный резонатор, выполненный на основе такого прямоугольного волновода 1, вдоль продольной оси которого пропущена диэлектрическая труба 4 с контролируемым веществом, может служить в качестве датчика для измерений физических свойств движущихся диэлектрических веществ, как однородных, так и содержащих различные неоднородности. При этом данные неоднородности могут изменять свое распределение в объеме резонатора в процессе измерения.
В этом случае имеет место почти равномерное распределение электромагнитной энергии в свободном пространстве волновода, а также в рассматриваемом резонаторе на его основе, содержащем диэлектрическую трубу с контролируемым диэлектрическим веществом вдоль продольной оси волновода. В качестве диэлектрических вставок могут применяться различные материалы: плексиглас (ε=2.59), корунд (ε=10.07) и др. Так, требуемый режим работы с электромагнитном полем TEM-типа в центральной части волновода обеспечивается на частоте 2450 МГц (λ=12,45 см) при следующих параметрах: размеры поперечного сечения 7×3,5 см2; ε=7; d=1,3 см. Можно считать, что такое же равномерное распределение поля в этой области имеет место и при малых изменениях частоты генератора или при введении диэлектрической трубы с контролируемым диэлектрическим веществом в рассматриваемое свободное пространство, незначительно изменяя электрическое поле стоячей волны в резонаторе.
В данном резонаторе возбуждают колебания типа H10n, n=1, 2, …, низшим из которых является H101 и которому соответствует наименьшее значение резонансной частоты ƒp электромагнитных колебаний данного резонатора. При этом первые два индекса (1 и 0) соответствуют числу полуволн поля стоячей электромагнитной волны в волноводном резонаторе в его поперечном сечении (фиг. 1), а третий индекс n=1, 2, … - числу полуволн поля стоячей волны вдоль продольной оси данного прямоугольного резонатора (т.е. вдоль диэлектрической трубы с контролируемым диэлектрическим веществом). Однородное распределение энергии электромагнитного поля в таком волноводе и резонаторе на его основе приводит к независимости результатов измерений от конфигурации потока, распределения в нем имеющихся неоднородностей.
В прямоугольном резонаторе, в отличие от прямоугольного волновода, имеет место картина стоячей волны с наличием максимумов и минимумов электрического и магнитного полей по объему резонатора. При этом вдоль длины L резонатора в продольной плоскости умещается полуволн, т.е. , n=1, 2, …. С учетом этого соотношение (1) для рассматриваемого резонатора записывается так:
откуда находим
Для основного типа колебаний H101 при n=1 формула (3) принимает вид
Таким образом, в данном прямоугольном волноводном резонаторе конфигурация потока неоднородного диэлектрического вещества, перемещаемого на измерительном участке трубопровода по диэлектрической трубе внутри рассматриваемого резонатора, а также распределение по объему этой трубы присущих веществу в потоке неоднородностей не оказывают влияния на значение информативного параметра - резонансной частоты электромагнитных колебаний резонатора. Эта частота зависит от измеряемого физического свойства вещества - плотности, концентрации смеси веществ, влагосодержания неоднородных диэлектрических веществ (жидкостей, газов) и т.п.
В показанном на фиг. 1 поперечном сечении волноводного прямоугольного резонатора с диэлектрической трубой 4, располагаемой вдоль продольной оси этого резонатора, в обеих частях полости резонатора, как в указанном выше прямоугольном волноводе 1, имеются диэлектрические вставки 2 и 3 с тем же поперечным размером, что и у резонатора, а продольный размер каждой вставки имеет величину , n=1, 2, …, где в данном случае L - длина резонатора в продольной плоскости, ε - диэлектрическая проницаемость материала каждой вставки. Волноводный резонатор может быть снабжен запредельным волноводом с каждого его торца. Роль такого волновода может играть участок самого металлического трубопровода, по которому перемещается поток вещества. Внутренние диаметры этих запредельных волноводов соответствует диаметру диэлектрической трубы внутри резонатора для предотвращения движения потока контролируемого вещества. Наличие запредельного волновода препятствует излучению электромагнитных волн за пределы полости резонатора и, тем самым, обеспечивает высокое значение добротности резонатора. Измеряя текущее значение ƒp резонансной частоты электромагнитных колебаний резонатора, можно определить диэлектрическую проницаемость εм контролируемого вещества и связанные с ней функционально значения измеряемого физического свойства вещества.
Возможно дополнительное повышение точности измерения путем скручивания данного прямоугольного волноводного резонатора вдоль его продольной оси, по меньшей мере, на угол φ=90°. На фиг. 2 приведен такой скрученный прямоугольный волноводный резонатор 5. Вдоль его продольной оси расположена диэлектрическая труба 4, по которой перемещается контролируемое вещество. У каждого из торцов данного резонатора к концам этой диэлектрической трубы 4 подсоединен соответствующий участок трубопровода 6 и 7, имеющий тот же внутренний диаметр, что и у диэлектрической трубы 4. При выполнении этих участков 6 и 7 (как и самого трубопровода) из металла, они выполняют роль запредельных волноводов.
В этом случае картина силовых линий однородного электрического поля стоячей волны скрученного прямоугольного волноводного резонатора 5 идентична во всех сечениях измерительного участка, но отличается по ориентации по угловой координате. Если угол φ=90°, то на противоположных торцах резонатора силовые линии электрического поля взаимно-перпендикулярны. Если φ=180°, то направление силовых линий электрического поля на торцах резонатора противоположно. В датчике на основе такого резонатора производится пространственное усреднение результатов измерения физических свойств неоднородного веществе в потоке, причем степень усреднения и, следовательно, точность измерения, можно регулировать величиной угла φ.
На фиг. 3 показана схема устройства с датчиком на основе волноводного прямоугольного резонатора 8 с диэлектрической трубой 4 внутри этого резонатора вдоль его продольной оси, содержащей движущееся диэлектрическое вещество. Диэлектрические вставки 2 и 3 расположены в соответствующих частях полости резонатора. Наличие запредельных волноводов 9 и 10 с обоих торцов волноводного резонатора, диаметр которых соответствует диаметру диэлектрической трубы 4 внутри резонатора, препятствует излучению электромагнитных волн за пределы полости резонатора. Элементы связи 11 и 12, расположенные в центре широких стенок волноводного резонатора, служат для возбуждения электромагнитных колебаний в полости резонатора с помощью генератора электромагнитных колебаний 13 и его подсоединения к электронному блоку 14 для измерения резонансной частоты ƒp данного резонатор, по значению которой судят об измеряемом физическом свойстве вещества в потоке.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает более высокую точность измерений физических свойств диэлектрического вещества в потоке при возможности изменения его конфигурации в процессе движения. Данное устройство обеспечивает независимость результатов измерений от распределения возможных неоднородностей вещества в его потоке на измерительном участке устройства.
Claims (2)
1. Устройство для измерения физических свойств вещества в потоке, содержащее на измерительном участке волноводный резонатор, через сквозные отверстия в противоположных торцах которого вдоль его продольной оси пропущен диэлектрический трубопровод с контролируемым диэлектрическим веществом, подсоединенные к данному резонатору с помощью элементов связи генератор электромагнитных колебаний и электронный блок, отличающееся тем, что волноводный резонатор выполнен в виде прямоугольного волноводного резонатора, в котором возбуждены электромагнитные колебания типа H10n, n=1, 2, …, и в котором у каждой из его узких стенок установлена диэлектрическая вставка с тем же поперечным размером, что и у прямоугольного резонатора, ее продольный размер имеет величину , где L - длина резонатора в продольной плоскости, ε - диэлектрическая проницаемость материала каждой вставки.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что волноводный прямоугольный резонатор скручен вдоль его продольной оси, по меньшей мере, на 90°.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016118020A RU2634090C1 (ru) | 2016-05-10 | 2016-05-10 | Устройство для измерения физических свойств вещества в потоке |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016118020A RU2634090C1 (ru) | 2016-05-10 | 2016-05-10 | Устройство для измерения физических свойств вещества в потоке |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2634090C1 true RU2634090C1 (ru) | 2017-10-23 |
Family
ID=60153846
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016118020A RU2634090C1 (ru) | 2016-05-10 | 2016-05-10 | Устройство для измерения физических свойств вещества в потоке |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2634090C1 (ru) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4104585A (en) * | 1974-12-23 | 1978-08-01 | National Research Development Corporation | Measurement of impurity concentration in liquids |
RU2199731C1 (ru) * | 2001-06-08 | 2003-02-27 | Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН | Устройство для определения влажности нефтепродуктов в трубопроводе |
RU2426099C1 (ru) * | 2010-06-29 | 2011-08-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет технологий и управления" | Устройство для определения концентрации смеси веществ |
RU2468358C1 (ru) * | 2011-10-06 | 2012-11-27 | Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН | Способ определения влагосодержания вещества |
RU2473889C1 (ru) * | 2011-09-05 | 2013-01-27 | Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН | Способ измерения физической величины |
-
2016
- 2016-05-10 RU RU2016118020A patent/RU2634090C1/ru active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4104585A (en) * | 1974-12-23 | 1978-08-01 | National Research Development Corporation | Measurement of impurity concentration in liquids |
RU2199731C1 (ru) * | 2001-06-08 | 2003-02-27 | Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН | Устройство для определения влажности нефтепродуктов в трубопроводе |
RU2426099C1 (ru) * | 2010-06-29 | 2011-08-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет технологий и управления" | Устройство для определения концентрации смеси веществ |
RU2473889C1 (ru) * | 2011-09-05 | 2013-01-27 | Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН | Способ измерения физической величины |
RU2468358C1 (ru) * | 2011-10-06 | 2012-11-27 | Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН | Способ определения влагосодержания вещества |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Sharma et al. | A microwave cavity resonator sensor for water-in-oil measurements | |
US20080303534A1 (en) | Method and Apparatus For Measuring the Water Conductivity and Water Volume Fraction of a Multiphase Mixture Containing Water | |
US20100148804A1 (en) | Device and method for determining at least one parameter of a medium | |
BRPI1100319A2 (pt) | mÉtodo de mediÇço de uma composiÇço multifÁsica em uma tubulaÇço | |
US6466035B1 (en) | Microwave fluid sensor and a method for using same | |
JP3691812B2 (ja) | 共振器を用いて複素誘電率を測定する方法および前記方法を実施する装置 | |
Raveendranath et al. | Broadband coaxial cavity resonator for complex permittivity measurements of liquids | |
EP3152567B1 (en) | Cut-off frequency adjustment for microwave resonator | |
Drobakhin et al. | OPEN†ENDED WAVEGUIDE CUTOFF RESONATORS FOR MONITORING DIELECTRICS PARAMETERS OF GASES | |
RU2634090C1 (ru) | Устройство для измерения физических свойств вещества в потоке | |
US2489092A (en) | High-frequency surface testing instrument | |
Tatarchuk et al. | Microwave dielectric measurement methods on the base of the composite dielectric resonator | |
RU2534747C1 (ru) | Устройство для измерения физических свойств жидкости в емкости | |
RU2536184C1 (ru) | Концентратомер | |
RU2559840C1 (ru) | Свч-способ определения осажденной влаги в жидких углеводородах | |
RU2626458C1 (ru) | Способ измерения физических свойств жидкости | |
RU2620773C1 (ru) | Датчик физических свойств вещества | |
Faz et al. | Electric field homogeneity optimization by dielectric inserts for improved material sensing in a cavity resonator | |
Drobakhin et al. | Measurement of dielectric material properties using coupled biconical resonators | |
Andreev et al. | The effect of cylindricity and coaxiality deviations of samples on measurement error of the permittivity using a biconical resonator | |
RU2569180C1 (ru) | Способ поточного измерения доли воды в смеси с углеводородной жидкостью и устройство для его реализации | |
RU2521722C1 (ru) | Устройство для измерения физических параметров объекта | |
Sheikh et al. | Simple microwave method for detecting water holdup | |
Sharma et al. | Measurements of dielectric parameters of aviation fuel at X-band frequencies using cavity perturbation technique | |
RU2306572C1 (ru) | Свч способ бесконтактного определения диэлектрической проницаемости жидких сред и контроля процесса осаждения диэлектрических частиц |