RU2642541C1 - Device for measuring physical parameters of material - Google Patents
Device for measuring physical parameters of material Download PDFInfo
- Publication number
- RU2642541C1 RU2642541C1 RU2016135005A RU2016135005A RU2642541C1 RU 2642541 C1 RU2642541 C1 RU 2642541C1 RU 2016135005 A RU2016135005 A RU 2016135005A RU 2016135005 A RU2016135005 A RU 2016135005A RU 2642541 C1 RU2642541 C1 RU 2642541C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- signal
- input
- conductors
- primary
- primary converter
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
- G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
- G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
- G01F23/284—Electromagnetic waves
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
-
- 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
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения физических параметров материала, например, диэлектрической проницаемости, влажности, концентрации смеси веществ, плотности, а также уровня и количества материала в резервуаре, сосуде или иной емкости. Основное назначение предлагаемого технического решения - измерение физических параметров при экстремальных температурах и давлениях, в частности, измерение сухости пара при контроле пароводяных сред.The invention relates to measuring equipment and is intended to measure the physical parameters of the material, for example, dielectric constant, humidity, concentration of a mixture of substances, density, as well as the level and quantity of material in a tank, vessel or other container. The main purpose of the proposed technical solution is the measurement of physical parameters at extreme temperatures and pressures, in particular, the measurement of dry steam during the control of steam-water environments.
Известно устройство измерения физических параметров материала (Патент RU 2585255, опубл. 27.05.2016 г.), содержащее первичный преобразователь, выполненный в виде отрезка длинной линии передачи с сигнальным и экранным проводниками, пространство между которыми предназначено для заполнения упомянутым контролируемым материалом, причем экранный проводник выполнен или в виде трубы, или виде полого цилиндра с продольными щелями, или в виде кюветы, или в виде рамки; генератор зондирующего сигнала, имеющий вход управления и выполненный на основе перестраиваемого по частоте формирователя гармонического сигнала; измерительную ячейку, включенную между выходом генератора и входом первичного преобразователя и содержащую амплитудный детектор, подключенный к сигнальному проводнику, причем измерительная ячейка размещена в металлическом корпусе, установленном на экранном проводнике, и соединена с первичным преобразователем через электроввод, представляющий собой участок линии передачи с диэлектрическим изолятором.A device for measuring the physical parameters of a material is known (Patent RU 2585255, published May 27, 2016) containing a primary transducer made in the form of a segment of a long transmission line with signal and screen conductors, the space between which is intended to fill the aforementioned controlled material, and the screen conductor made either in the form of a pipe, or in the form of a hollow cylinder with longitudinal slots, or in the form of a cuvette, or in the form of a frame; a probe signal generator having a control input and based on a frequency tunable harmonic signal former; a measuring cell connected between the output of the generator and the input of the primary Converter and containing an amplitude detector connected to the signal conductor, and the measuring cell is placed in a metal housing mounted on the screen conductor, and connected to the primary Converter through an electric input, which is a section of the transmission line with a dielectric insulator .
Недостатком известного устройства является низкая точность измерения физических параметров материала при экстремальных температурах и давлениях. Диапазон рабочих температур данного устройства определяется допустимым диапазоном температур эксплуатации полупроводниковых диодов, входящих в состав амплитудного детектора. Указанные диоды подсоединены к входу первичного преобразователя через электроввод малой длины и имеют ту же температуру, что и первичный преобразователь и, следовательно, ту же температуру, что и контролируемый материал. Очевидное решение, обеспечивающее термоизоляцию диодов, а также одновременно позволяющее увеличить перепад давлений между средой внутри преобразователя и вне его, состоит в увеличении длины электроввода. Но при большой длине электроввода минимум измеряемого напряжения будет сдвинут по частоте относительно частоты гармоники первичного преобразователя, что приведет к ошибкам измерения физических параметров.A disadvantage of the known device is the low accuracy of measuring the physical parameters of the material at extreme temperatures and pressures. The operating temperature range of this device is determined by the permissible operating temperature range of the semiconductor diodes included in the amplitude detector. These diodes are connected to the input of the primary transducer through an electric input of short length and have the same temperature as the primary transducer and, therefore, the same temperature as the material being monitored. The obvious solution, which provides thermal insulation of the diodes, and at the same time allows to increase the pressure drop between the medium inside and outside the converter, consists in increasing the length of the electrical input. But with a long electric input length, the minimum of the measured voltage will be shifted in frequency relative to the harmonic frequency of the primary transducer, which will lead to errors in the measurement of physical parameters.
Рабочий диапазон температур полупроводниковых диодов, на основе которых выполняется амплитудный детектор, обычно не выходит за пределы -60…+150°С. Соответственно, известное техническое решение только лишь в этом диапазоне температур обеспечивает высокую точность измерения. Для контроля, например, пароводяных смесей с температурами свыше 150-200°С известное техническое решение не обеспечит точных измерений.The operating temperature range of semiconductor diodes, on the basis of which an amplitude detector is performed, usually does not go beyond -60 ... + 150 ° С. Accordingly, the known technical solution only in this temperature range provides high measurement accuracy. To control, for example, steam-water mixtures with temperatures above 150-200 ° C, the known technical solution will not provide accurate measurements.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому устройству является устройство измерения физических параметров материала (патент на изобретение RU 2576552, опубл. 10.03.2016, см. также международную заявку PCT/RU 2015/000580 от 16.09.2015, опубл. WO 2016/043629 А1, 24.03.2016, и заявку RU 2015116780 от 30.04.2015), содержащее первичный преобразователь, выполненный в виде отрезка длинной линии передачи с сигнальным и экранным проводниками, пространство между которыми предназначено для заполнения упомянутым контролируемым материалом; амплитудный детектор, имеющий вход и выход; генератор зондирующего сигнала, имеющий вход управления и выполненный на основе перестраиваемого по частоте формирователя гармонического сигнала; устройство измерения и управления, к которому подключен вход управления генератора и выход амплитудного детектора; первый дополнительный отрезок линии передачи с сигнальным и экранным проводниками, причем вход первого отрезка подключен к входу первичного преобразователя, а выход этого отрезка подключен к входу амплитудного детектора; второй дополнительный отрезок линии передачи с сигнальным и экранным проводниками, причем вход второго отрезка подключен к выходу генератора, а выход этого отрезка подключен к входу первичного преобразователя, причем сигнальные проводники первого и второго дополнительных отрезков соединены с сигнальным проводником первичного преобразователя, экранные проводники первого и второго дополнительных отрезков соединены с экранным проводником первичного преобразователя; электроввод, представляющий собой участок линии передачи с диэлектрическим изолятором, предназначенный для передачи зондирующего сигнала в область, занимаемую контролируемым материалом, для отделения контролируемого материала от внешней среды, герметизации первичного преобразователя.The closest in technical essence and the achieved results to the proposed device is a device for measuring the physical parameters of the material (patent for invention RU 2576552, publ. 03/10/2016, see also international application PCT / RU 2015/000580 from 09.16.2015, publ. WO 2016 / 043629 A1, March 24, 2016, and application RU 2015116780 dated April 30, 2015) containing a primary converter made in the form of a segment of a long transmission line with signal and screen conductors, the space between which is intended to fill the said controlled material; an amplitude detector having an input and an output; a probe signal generator having a control input and based on a frequency tunable harmonic signal former; a measurement and control device to which a generator control input and an amplitude detector output are connected; the first additional segment of the transmission line with signal and screen conductors, and the input of the first segment is connected to the input of the primary Converter, and the output of this segment is connected to the input of the amplitude detector; the second additional segment of the transmission line with signal and screen conductors, and the input of the second segment is connected to the output of the generator, and the output of this segment is connected to the input of the primary converter, and the signal conductors of the first and second additional segments are connected to the signal conductor of the primary converter, screen conductors of the first and second additional segments are connected to the screen conductor of the primary Converter; an electric input, which is a section of a transmission line with a dielectric insulator, designed to transmit a probing signal to the area occupied by the controlled material, to separate the controlled material from the external environment, and to seal the primary transducer.
В указанном устройстве подключение дополнительных отрезков линии передачи к первичному преобразователю выполнено вне первичного преобразователя. Между точкой соединения сигнальных проводников (то есть точкой измерения напряжения) и контролируемым материалом находится электроввод, отделяющий область с контролируемым материалом от внешней среды. В результате электрические параметры участка линии передачи, образующего электроввод, влияют на результаты измерения. Указанное влияние при малой длине электроввода не велико и им можно пренебречь в большинстве практических задач. Но в ряде задач, связанных с измерением материалов с низкой диэлектрической проницаемостью (например, измерение низких уровней влажности или измерение пароводяных сред при экстремальных температурах), электроввод даже малой длины приводит к снижению чувствительности и точности устройства измерения.In the specified device, the connection of additional segments of the transmission line to the primary converter is performed outside the primary converter. Between the connection point of the signal conductors (that is, the voltage measurement point) and the controlled material is an electric input that separates the area with the controlled material from the external environment. As a result, the electrical parameters of the portion of the transmission line forming the electrical input affect the measurement results. The indicated effect with a small length of the electric input is not large and can be neglected in most practical problems. But in a number of tasks related to the measurement of materials with low dielectric constant (for example, the measurement of low humidity levels or the measurement of steam-water media at extreme temperatures), even a small electric input leads to a decrease in the sensitivity and accuracy of the measurement device.
Второй недостаток - ограничение по перепаду давлений между средой контролируемого материала и внешней средой. Хотя известное устройство позволяет измерять материалы с высокими температурами, но для обеспечения работы при высоких давлениях приходится в известном устройстве увеличивать продольные размеры электроввода. Для известного устройства такое решение, как и для ранее рассмотренного аналога, приводит к увеличению погрешности измерения.The second drawback is the restriction on the pressure drop between the medium of the controlled material and the external environment. Although the known device allows you to measure materials with high temperatures, but to ensure operation at high pressures it is necessary to increase the longitudinal dimensions of the electric input in the known device. For a known device, such a solution, as for the previously considered analogue, leads to an increase in measurement error.
Целью предлагаемого технического решения является повышение точности измерения, расширение диапазона рабочих давлений, повышение чувствительности измерения материалов с низкой диэлектрической проницаемостью.The aim of the proposed technical solution is to increase the measurement accuracy, expand the range of operating pressures, increase the sensitivity of the measurement of materials with low dielectric constant.
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве измерения физических параметров материала, содержащем первичный преобразователь, выполненный в виде отрезка длинной линии передачи с сигнальным и экранным проводниками, пространство между которыми предназначено для заполнения упомянутым контролируемым материалом; амплитудный детектор, имеющий вход и выход; генератор зондирующего сигнала, имеющий вход управления и выполненный на основе перестраиваемого по частоте формирователя гармонического сигнала; устройство измерения и управления, к которому подключен вход управления генератора и выход амплитудного детектора; первый дополнительный отрезок линии передачи с сигнальным и экранным проводниками, причем вход первого отрезка подключен к входу первичного преобразователя, а выход этого отрезка подключен к входу амплитудного детектора; второй дополнительный отрезок линии передачи с сигнальным и экранным проводниками, причем вход второго отрезка подключен к выходу генератора, а выход этого отрезка подключен к входу первичного преобразователя, причем сигнальные проводники первого и второго дополнительных отрезков соединены с сигнальным проводником первичного преобразователя, экранные проводники первого и второго дополнительных отрезков соединены с экранным проводником первичного преобразователя; электроввод, представляющий собой участок линии передачи с диэлектрическим изолятором, предназначенный для передачи зондирующего сигнала в область, занимаемую контролируемым материалом, для отделения контролируемого материала от внешней среды, герметизации первичного преобразователя,This goal is achieved by the fact that in the device for measuring the physical parameters of the material containing the primary Converter, made in the form of a segment of a long transmission line with signal and screen conductors, the space between which is intended to fill the aforementioned controlled material; an amplitude detector having an input and an output; a probe signal generator having a control input and based on a frequency tunable harmonic signal former; a measurement and control device to which a generator control input and an amplitude detector output are connected; the first additional segment of the transmission line with signal and screen conductors, and the input of the first segment is connected to the input of the primary Converter, and the output of this segment is connected to the input of the amplitude detector; the second additional segment of the transmission line with signal and screen conductors, and the input of the second segment is connected to the output of the generator, and the output of this segment is connected to the input of the primary converter, and the signal conductors of the first and second additional segments are connected to the signal conductor of the primary converter, screen conductors of the first and second additional segments are connected to the screen conductor of the primary Converter; an electric input, which is a section of a transmission line with a dielectric insulator, designed to transmit a probing signal to the area occupied by the controlled material, to separate the controlled material from the external environment, sealing the primary transducer,
согласно предлагаемому техническому решению,according to the proposed technical solution,
вход первого и выход второго дополнительных отрезков линии передачи введены внутрь первичного преобразователя, соединение сигнальных проводников первого и второго дополнительных отрезков линии передачи с сигнальным проводником первичного преобразователя выполнено внутри первичного преобразователя непосредственно в области, заполняемой контролируемым материалом, первый и второй дополнительные отрезки линии передачи в месте соединения с первичным преобразователем выполнены в виде электровводов. Указанное выполнение дополнительных отрезков в виде электровводов может быть осуществлено в двух вариантах:the input of the first and the output of the second additional segments of the transmission line are inserted inside the primary converter, the signal conductors of the first and second additional segments of the transmission line are connected with the signal conductor of the primary converter directly inside the primary converter in the area filled with the controlled material, the first and second additional segments of the transmission line are in place Connections with the primary converter are made in the form of electrical inputs. The specified execution of additional segments in the form of electrical inputs can be carried out in two versions:
1) первый и второй дополнительные отрезки линии передачи целиком выполнены в виде электровводов;1) the first and second additional segments of the transmission line are entirely made in the form of electrical inputs;
2) первый и второй дополнительные отрезки линии передачи выполнены в виде электровводов только на участке длины, а на остальной своей длине указанные отрезки выполнены, например, в виде коаксиального кабеля, подключенного к электровводу.2) the first and second additional segments of the transmission line are made in the form of electrical inputs only in the length section, and on the rest of their length these segments are made, for example, in the form of a coaxial cable connected to the electrical input.
Следует отметить еще один отличительный признак: предлагаемое устройство содержит два электроввода, а прототип - только один.It should be noted another distinctive feature: the proposed device contains two electric inputs, and the prototype is only one.
Упомянутые выше измеряемые физические параметры материала представляют собой диэлектрическую проницаемость, влажность материала, концентрацию смеси веществ, плотность, уровень или количество материала, а также сухость пара (показатель сухости пара) при контроле пароводяных сред.The above-mentioned measured physical parameters of the material are dielectric constant, material moisture, concentration of a mixture of substances, density, level or amount of material, as well as dry steam (an indicator of dry steam) when controlling steam-water media.
Поставленная цель достигается также тем, что сигнальный и экранный проводники первичного преобразователя на его конце выполнены замкнутыми или указанные проводники первичного преобразователя на его конце выполнены разомкнутыми. При использовании предлагаемого устройства для контроля уровня или количества материала в резервуаре или иной емкости указанные проводники на конце первичного преобразователя могут быть соединены через резистор, имеющий сопротивление, равное волновому сопротивлению в среде контролируемого материала длинной линии, образующей первичный преобразователь.This goal is also achieved by the fact that the signal and screen conductors of the primary converter at its end are closed or the specified conductors of the primary converter at its end are open. When using the proposed device to control the level or quantity of material in the tank or other capacity, these conductors at the end of the primary transducer can be connected through a resistor having a resistance equal to the wave resistance in the medium of the controlled material of a long line forming the primary transducer.
Поставленная цель достигается также тем, что генератор зондирующего сигнала выполнен в виде синтезатора, который формирует частоту зондирующего сигнала по цифровому коду, задаваемому устройством измерения и управления, а устройство измерения и управления содержит процессор, который вычисляет физические параметры материала по значению частоты зондирующего сигнала, на которой достигается минимум входного сопротивления первичного преобразователя. Минимум входного сопротивления определяется по минимуму напряжения на выходе амплитудного детектора.This goal is also achieved by the fact that the probe signal generator is made in the form of a synthesizer that generates the frequency of the probe signal using a digital code specified by the measurement and control device, and the measurement and control device contains a processor that calculates the physical parameters of the material from the value of the frequency of the probe signal, which achieves a minimum input resistance of the primary Converter. The minimum input resistance is determined by the minimum voltage at the output of the amplitude detector.
Поставленная цель достигается также тем, что устройство измерения дополнительно содержит второй детектор амплитуды, при этом вход указанного детектора подключен к входу второго дополнительного отрезка линии передачи, а выход указанного детектора подключен к устройству измерения и управления. В этом случае минимум входного сопротивления определяется по минимуму отношения напряжения на выходе амплитудного детектора к напряжению на выходе второго детектора амплитуды.This goal is also achieved by the fact that the measuring device further comprises a second amplitude detector, while the input of the specified detector is connected to the input of the second additional segment of the transmission line, and the output of the specified detector is connected to the measuring and control device. In this case, the minimum input resistance is determined by the minimum ratio of the voltage at the output of the amplitude detector to the voltage at the output of the second amplitude detector.
Поставленная цель достигается также тем, что электровводы выполнены в виде коаксиальных линий передачи, в которых сигнальные проводники закреплены внутри экранных проводников с помощью диэлектрических втулок, соединение сигнальных и экранных проводников с диэлектрическими втулками выполнено герметичным.This goal is also achieved by the fact that the electrical inputs are made in the form of coaxial transmission lines in which the signal conductors are fixed inside the screen conductors using dielectric bushes, the connection of the signal and screen conductors with dielectric bushes is sealed.
Поставленная цель достигается также тем, что в электровводах сигнальные и экранные проводники скреплены с диэлектрическими втулками посредством резьбового соединения, для чего на каждой диэлектрической втулке выполнена внешняя и внутренняя резьба, сигнальные проводники электровводов выполнены в виде стержней с внешней резьбой, экранные проводники электровводов выполнены в виде трубок с внутренней резьбой, герметизация электровводов обеспечена заполнением резьбы компаундом, длина электровводов выбрана исходя из требуемой степени герметизации первичного преобразователя от внешней среды и с учетом максимальной температуры контролируемого материала.This goal is also achieved by the fact that in the electrical inputs the signal and shield conductors are bonded to the dielectric bushings by means of a threaded connection, for which an external and internal thread is made on each dielectric bush, the signal wires of the electrical inputs are made in the form of rods with external threads, the shield conductors of the electrical inputs are made in the form tubes with internal thread, sealing of the electrical inputs is ensured by filling the threads with a compound, the length of the electrical inputs is selected based on the required degree ermetizatsii primary device from the external environment and with the maximum temperature of the test material.
Поставленная цель достигается также тем, что экранный проводник первичного преобразователя выполнен в виде трубы, а сигнальный проводник первичного преобразователя выполнен в виде металлического прутка, который расположен внутри трубы параллельно ее оси, на стенке трубы перпендикулярно к ее оси установлены электровводы, сигнальные проводники электровводов внутри трубы соединены с первым концом металлического прутка, второй конец упомянутого прутка закреплен либо на торцевой заглушке трубы, либо на стенке трубы посредством стойки, перпендикулярной к оси прутка.This goal is also achieved by the fact that the screen conductor of the primary converter is made in the form of a pipe, and the signal conductor of the primary converter is made in the form of a metal bar, which is located inside the pipe parallel to its axis, electrical inputs are installed on the pipe wall perpendicular to its axis, signal conductors of the electrical inputs inside the pipe connected to the first end of the metal bar, the second end of the said bar is mounted either on the end cap of the pipe or on the wall of the pipe by means of a stand, p rpendikulyarnoy to the rod axis.
Поставленная цель достигается также тем, что экранный проводник первичного преобразователя выполнен в виде набора стержней, закрепленных первыми своими концами на металлическом основании и установленных перпендикулярно его поверхности, а сигнальный проводник первичного преобразователя выполнен в виде металлического прутка, который расположен между указанными стержнями, на металлическом основании установлены два электроввода, сигнальные проводники электровводов внутри первичного преобразователя соединены с первым концом металлического прутка, второй конец упомянутого прутка закреплен на металлической пластине, прикрепленной ко вторым концам указанных стержней.This goal is also achieved by the fact that the screen conductor of the primary transducer is made in the form of a set of rods fixed with its first ends on a metal base and mounted perpendicular to its surface, and the signal conductor of the primary transducer is made in the form of a metal bar, which is located between these rods, on a metal base two electrical inputs are installed, signal conductors of electrical inputs inside the primary converter are connected to the first end of the metal rod, the second end of the said rod is mounted on a metal plate attached to the second ends of these rods.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется на фиг. 1-7.The essence of the proposed technical solution is illustrated in FIG. 1-7.
На фиг. 1 показано устройство измерения физических параметров, в котором первичный преобразователь предназначен для установки в прямой отрезок трубопровода. Для соединения с трубопроводом первичный преобразователь снабжен двумя фланцами, причем оси фланцев совпадают. По терминологии, принятой для влагомеров нефти, такое исполнение первичного преобразователя называют «прямоточным».In FIG. 1 shows a device for measuring physical parameters, in which the primary transducer is designed to be installed in a straight section of the pipeline. To connect to the pipeline, the primary transducer is equipped with two flanges, and the axis of the flanges coincide. According to the terminology adopted for oil moisture meters, such a design of the primary converter is called "direct-flow".
На фиг. 2 показано устройство измерения физических параметров, в котором первичный преобразователь для соединения с трубопроводом снабжен двумя фланцами, развернутыми на угол 90°. Для влагомеров нефти такое исполнение принято называть «угловым».In FIG. 2 shows a device for measuring physical parameters, in which the primary transducer for connecting to the pipeline is equipped with two flanges rotated through an angle of 90 °. For oil moisture meters, this design is called "angular".
Фиг. 1 и 2 служат иллюстрацией к пп. 1-8 формулы изобретения.FIG. 1 and 2 serve as an illustration to paragraphs. 1-8 of the claims.
На фиг. 3 показано устройство измерения физических параметров с первичным преобразователем, который предназначен для измерений в трубопроводах большого диаметра. Преобразователь вводится сбоку трубопровода и крепится к нему с помощью только одного фланцевого соединения. Для такой установки металлическое основание первичного преобразователя выполняется в виде фланца. Для влагомеров нефти такой вариант исполнения первичного преобразователя принято называть «полнопоточный».In FIG. 3 shows a device for measuring physical parameters with a primary transducer, which is designed for measurements in large diameter pipelines. The transducer is inserted at the side of the pipeline and fastened to it using only one flange connection. For such an installation, the metal base of the primary converter is in the form of a flange. For oil moisture meters, this embodiment of the primary converter is called "full-flow".
Показанный на фиг. 3 первичный преобразователь может быть применен также для контроля материалов в резервуарах, сосудах, в том числе для измерения уровня в резервуарах. Другое применение данного первичного преобразователя - для лабораторных измерений материалов, например, в стандартных мерных цилиндрах. Фиг.3 является иллюстрацией к пп. 1-7, 9 формулы изобретения.Shown in FIG. 3 the primary transducer can also be used to control materials in tanks, vessels, including for measuring the level in tanks. Another application of this primary converter is for laboratory measurements of materials, for example, in standard measuring cylinders. Figure 3 is an illustration of paragraphs. 1-7, 9 of the claims.
На фиг. 4 показано устройство измерения физических параметров материала в общем виде с упрощенным отображением элементов конструкции. Фиг. 4 является иллюстрацией к любому из пп. 1-9 формулы изобретения.In FIG. 4 shows a device for measuring the physical parameters of a material in general form with a simplified display of structural elements. FIG. 4 is an illustration of any one of paragraphs. 1-9 of the claims.
На фиг. 5 и 6 приведены графики зависимости напряжения Udet от частоты генератора, где Udet - или напряжение на выходе амплитудного детектора или это же напряжение, но нормированное по значению напряжения с выхода второго детектора амплитуды. Фиг. 5 иллюстрирует способ измерения физических параметров, основанный на определении диэлектрической проницаемости материала, заполняющего первичный преобразователь. Фиг. 6 иллюстрирует способ измерения уровня или количества вещества, основанный на измерении расстояния до границы раздела сред, отражающей зондирующий сигнал.In FIG. Figures 5 and 6 are graphs of the dependence of the voltage U det on the frequency of the generator, where U det is either the voltage at the output of the amplitude detector or the same voltage, but normalized by the voltage value from the output of the second amplitude detector. FIG. 5 illustrates a method for measuring physical parameters based on determining the dielectric constant of a material filling a primary transducer. FIG. 6 illustrates a method for measuring the level or quantity of a substance based on measuring the distance to a media interface reflecting a probe signal.
На фиг. 7 приведена фотография устройства измерения физических параметров с первичным преобразователем, выполненным в соответствии с п. 8 формулы изобретения.In FIG. 7 is a photograph of a device for measuring physical parameters with a primary transducer made in accordance with
Предложенное устройство измерения физических параметров материала содержит следующие узлы:The proposed device for measuring the physical parameters of the material contains the following nodes:
1 - первичный преобразователь;1 - primary converter;
2 - сигнальный проводник первичного преобразователя;2 - signal conductor of the primary Converter;
3 - экранный проводник первичного преобразователя;3 - screen conductor of the primary Converter;
4 - амплитудный детектор, имеющий вход для высокочастотного сигнала и выход низкочастотного сигнала;4 - amplitude detector having an input for a high-frequency signal and an output of a low-frequency signal;
5 - генератор зондирующего сигнала, имеющий вход управления и выполненный на основе перестраиваемого по частоте формирователя гармонического сигнала;5 - a probe signal generator having a control input and based on a frequency tunable harmonic signal former;
6 - устройство измерения и управления;6 - device for measuring and control;
7 - первый дополнительный отрезок линии передачи;7 - the first additional segment of the transmission line;
8 - сигнальный проводник первого отрезка линии передачи;8 - signal conductor of the first segment of the transmission line;
9 - экранный проводник первого отрезка линии передачи;9 - screen conductor of the first segment of the transmission line;
10 - второй дополнительный отрезок линии передачи;10 - the second additional segment of the transmission line;
11 - сигнальный проводник второго отрезка линии передачи;11 - signal conductor of the second segment of the transmission line;
12 - экранный проводник второго отрезка линии передачи;12 - screen conductor of the second segment of the transmission line;
13 - оконечное устройство, установленное на конце первичного преобразователя;13 - terminal device mounted on the end of the primary Converter;
14 - второй детектор амплитуды, имеющий вход для высокочастотного сигнала и выход низкочастотного сигнала;14 is a second amplitude detector having an input for a high-frequency signal and an output of a low-frequency signal;
15 - диэлектрический изолятор первого электроввода;15 - dielectric insulator of the first electric input;
16 - диэлектрический изолятор второго электроввода;16 - dielectric insulator of the second electric input;
17 - металлическое основание;17 - metal base;
18 - металлическая пластина;18 - a metal plate;
19 - датчик температуры.19 - temperature sensor.
Предложенное устройство измерения физических параметров материала характеризуется также следующими признаками.The proposed device for measuring the physical parameters of the material is also characterized by the following features.
Первичный преобразователь 1 выполнен в виде отрезка длинной линии передачи с сигнальным 2 и экранным 3 проводниками, пространство между которыми предназначено для заполнения контролируемым материалом. К входу первичного преобразователя 1 подключены вход отрезка 7 и выход отрезка 10, причем, сигнальные проводники 8 и 11 дополнительных отрезков 7, 10 соединены с сигнальным проводником 2 преобразователя 1, экранные проводники 9 и 12 указанных отрезков соединены с экранным проводником 3 первичного преобразователя 1.The
Выход первого отрезка 7 подключен к входу амплитудного детектора 4. Вход второго отрезка 10 подключен к выходу генератора 5.The output of the
Выход амплитудного детектора 4 и вход управления генератора 5 подключены к устройству измерения и управления 6.The output of the
Вход первого отрезка 7 и выход второго отрезка 10 введены внутрь первичного преобразователя 1, то есть внутрь корпуса, образованного экранным проводником 3. Соединение сигнальных проводников 8 и 11 с сигнальным проводником 2 выполнено внутри преобразователя 1 непосредственно в области, заполняемой контролируемым материалом.The input of the
Первый и второй отрезки 7, 10 линии передачи в месте соединения с преобразователем 1 выполнены в виде электровводов. Указанные электровводы представляют собой участки линии передачи, содержащие диэлектрические изоляторы 15 и 16. Электровводы предназначены для передачи зондирующего сигнала в область, занимаемую контролируемым материалом, для отделения контролируемого материала от внешней среды, герметизации преобразователя 1. Отметим, что вместе с термином «электроввод» в технической литературе используются эквивалентные термины: «проходной изолятор», «узел ввода электрического сигнала».The first and
Выполнение дополнительных отрезков 7 и 10 в виде электровводов может быть осуществлено в двух вариантах:The implementation of
1. первый и второй дополнительные отрезки линии передачи целиком выполнены в виде электровводов (вариант показан на фиг. 1-3 и 7);1. the first and second additional segments of the transmission line are entirely made in the form of electric inputs (a variant is shown in Figs. 1-3 and 7);
2. первый и второй дополнительные отрезки линии передачи выполнены в виде электровводов только на участке длины, а на остальной своей длине указанные отрезки выполнены, например, в виде коаксиального кабеля, подключенного к электровводу (вариант показан на фиг. 4).2. the first and second additional segments of the transmission line are made in the form of electrical inputs only in the length section, and on the rest of their length these segments are made, for example, in the form of a coaxial cable connected to the electrical input (the variant is shown in Fig. 4).
На фиг. 7 показан образец устройства измерения физических параметров, предназначенный для измерения сухости пара в диапазоне температур 100-320°С. В этом устройстве дополнительные отрезки 7, 10 целиком выполнены в виде электровводов. На внешних концах электровводов установлены измерительные ячейки, причем, на конце первого электроввода 7 измерительная ячейка содержит амплитудный детектор 4, а измерительная ячейка, установленная на конце второго электроввода 10, содержит ввод кабеля зондирующего сигнала от генератора 5 и второй амплитудный детектор 14.In FIG. 7 shows a sample device for measuring physical parameters, designed to measure dry steam in the temperature range 100-320 ° C. In this device,
На фиг. 1-3 показаны электровводы, выполненные в виде коаксиальных линий передачи, в которых сигнальные проводники 8, 11 закреплены внутри экранных проводников 9, 12 с помощью диэлектрических втулок 15 и 16, причем, соединение сигнальных и экранных проводников с диэлектрическими втулками выполнено герметичным. Указанная герметизация может быть обеспечена сваркой металлических проводников 8(11) и 9(12) с изолятором 15(16), выполненным из керамики.In FIG. 1-3, electrical inputs made in the form of coaxial transmission lines are shown, in which the
Но возможно более простое и технологичное решение, основанное на том, что длина электровводов в предложенной конструкции не влияет на точность измерения. Суть решения: высокая герметичность, устойчивость к экстремальным давлениям обеспечиваются за счет увеличения длины электровводов. Одновременно решается задача по увеличению перепада температур снаружи и внутри первичного преобразователя 1, что позволяет измерять материалы при экстремальных температурах. Для увеличения перепада температур, как показано на фиг. 1, 2 и 7, внешняя поверхность экранных проводников 9, 12 может быть выполнена в виде радиаторов. Расширение диапазона рабочих давлений, высокая герметичность могут быть достигнуты за счет того, что в электровводах сигнальные проводники 8, 11 и экранные проводники 9, 12 скреплены с диэлектрическими втулками 15, 16 посредством резьбового соединения (см. фиг. 1-3). На диэлектрических втулках 15, 16 выполнена внешняя и внутренняя резьба, сигнальные проводники 8, 11 внутри электровводов выполнены в виде стержней с внешней резьбой, экранные проводники 9, 12 электровводов выполнены в виде трубок с внутренней резьбой, герметизация электровводов обеспечена заполнением резьбы высокотемпературным компаундом. Длина электровводов выбрана исходя из требуемой степени герметизации первичного преобразователя 1 от внешней среды и с учетом максимальной температуры контролируемого материала. В предложенной конструкции электровводов диэлектрические втулки 15, 16 могут быть выполнены из высокотемпературного композитного материала.But a simpler and more technologically advanced solution is possible, based on the fact that the length of the electrical inputs in the proposed design does not affect the measurement accuracy. The essence of the solution: high tightness, resistance to extreme pressures are provided by increasing the length of the electrical inputs. At the same time, the task of increasing the temperature difference outside and inside the
Проводники 2 и 3 первичного преобразователя 1 на его конце, отмеченном на фиг. 1-4 как оконечное устройство 13, могут быть выполнены как разомкнутыми (режим холостого хода), так и замкнутыми между собой (режим короткого замыкания). Если проводники первичного преобразователя 1 на его конце выполнены замкнутыми, то преобразователь 1 имеет более высокую стабильность электрических параметров, чем в режиме холостого хода. В таком преобразователе устранено влияние на измерения паразитной емкости на конце линии передачи, характерное для преобразователей с разомкнутыми на конце проводниками. При использовании предлагаемого устройства в качестве измерителя уровня оконечное устройство 13 может быть выполнено в виде диэлектрической трубки и содержать внутри резистор с сопротивлением, равным волновому сопротивлению в среде контролируемого материала длинной линии, образующей первичный преобразователь 1.The
На фиг. 4 замыкание проводников 2, 3 на конце 13 преобразователя 1 условно показано в виде подсоединенной к ним перемычки. На фиг. 1 замыкание сигнального проводника 2 на стенку 3 трубы, образующую экранный проводник, выполнено посредством металлической стойки 13, закрепленной перпендикулярно к оси прутка 2 и обеспечивающей его механическое крепление. Для обеспечения режима холостого хода указанная стойка 13 может быть выполнена из диэлектрика.In FIG. 4, the closure of
В состав устройства измерения физических параметров может быть введен второй детектор амплитуды 14, вход которого подключен к входу второго дополнительного отрезка 10 линии передачи, а его выход подключен к устройству измерения и управления 6 (см. фиг. 1-4).A
На фиг. 3 показано устройство измерения физических параметров, в котором экранный проводник 3 первичного преобразователя 1 выполнен в виде набора стержней, закрепленных между металлическим основанием 17 и металлической пластиной 18. Указанные стержни 3 могут быть круглыми, прямоугольными или плоскими и могут образовывать цилиндрическую поверхность с продольными щелями так, как показано в патенте RU 2585255, опубл. 27.05.2016 г. Сигнальный проводник 2 первичного преобразователя 1 выполнен в виде металлического прутка и расположен между стержнями 3. Основание 17 может быть выполнено в виде фланца, предназначенного для крепления первичного преобразователя 1 на боковой поверхности трубопровода или на резервуаре. На основании 17 установлены два электроввода 7 и 10, сигнальные проводники 8 и 11 электровводов соединены с первым концом металлического прутка 2 внутри первичного преобразователя 1. Второй конец прутка 2 закреплен на пластине 18.In FIG. 3 shows a device for measuring physical parameters, in which the
В состав устройства измерения физических параметров может входить датчик температуры 19. В вариантах исполнения, показанных на фиг. 1 и 2, датчик температуры 19 установлен внутри отверстия, выполненного на конце 13 металлического прутка 2. Выход датчика температуры подключен к устройству 6.The device for measuring physical parameters may include a
Способ измерения, реализуемый в предлагаемом устройстве измерения физических параметров материала, соответствует способам, описанным в международной заявке PCT/RU 2015/000580 от 16.09.2015, опубл. WO 2016/043629 А1, 24.03.2016 (см. также патент на изобретение RU 2576552, опубл. 10.03.2016, и заявку на изобретение RU 2015116780 от 30.04.2015).The measurement method implemented in the proposed device for measuring the physical parameters of the material corresponds to the methods described in international application PCT / RU 2015/000580 from 09.16.2015, publ. WO 2016/043629 A1, March 24, 2016 (see also patent for invention RU 2576552, publ. 03/10/2016, and patent application RU 2015116780 dated 04/30/2015).
Устройство измерения физических параметров материала работает следующим образом.A device for measuring the physical parameters of the material works as follows.
Генератор 5 перестраивают в диапазоне рабочих частот посредством устройства измерения и управления 6. Сформированный генератором 5 гармонический зондирующий сигнал подают на вход первичного преобразователя 1 через второй дополнительный отрезок 10 линии передачи. Посредством амплитудного детектора 4, подключенного к преобразователю 1 через отрезок 7, контролируют напряжение зондирующего сигнала на входе преобразователя 1. Амплитудный детектор 4 преобразует высокочастотный зондирующий сигнал в низкочастотный. Напряжение с выхода детектора 4 подается в устройство 6. Одновременно в устройство 6 подается напряжение с выхода второго детектора 14. Результирующее напряжение Udet (напряжение с выхода амплитудного детектора 4 или это же напряжение, но нормированное по напряжению с выхода второго детектора 14) анализируется в устройстве 6. На частотах гармоник, соответствующих минимуму входного сопротивления преобразователя 1, происходит шунтирование линии передачи, образованной отрезками 7 и 10, в результате на частоте гармоник сигнал детектора 4 имеет минимальное значение. Определяют частоты, на которых величина Udet достигает минимума и, соответственно, достигает минимума входное сопротивление первичного преобразователя 1. Найденные частоты являются частотами гармоник.The
Следует отметить, что входное сопротивление первичного преобразователя 1 на частоте гармоники настолько сильно шунтирует передачу сигнала к амплитудному детектору 4, что влияние отражений сигнала из-за недостаточного согласования отрезка 7 с детектором 4 в большинстве случаев практически незаметно. Благодаря этому частота зондирующего сигнала, на которой с помощью детектора 4 фиксируется минимум сигнала, точно соответствует частоте гармоники первичного преобразователя 1. Как показал опыт применения данного технического решения, отрезок 7 линии передачи для реального входного сопротивлении детектора 4 является согласованным, отражения от точки соединения отрезка 7 с детектором 4 имеют достаточно низкий уровень. Дополнительные меры по согласованию отрезка 7 с детектором 4 (например, включение дополнительного согласующего резистора) в большинстве случаев не обязательны.It should be noted that the input impedance of the
В зависимости от измеряемого физического параметра нахождение величины этого параметра на основе измеренных частот гармоник может производиться двумя способами.Depending on the measured physical parameter, finding the value of this parameter based on the measured harmonic frequencies can be done in two ways.
Способ 1
Первый способ применяется для измерения таких физических параметров, как диэлектрическая проницаемость, а также влажность, плотность, концентрация смеси веществ, а также и уровень, то есть параметров, определяемых по диэлектрической проницаемости. Этот способ иллюстрируется графиками зависимости Udet от частоты, показанными на фиг. 5. Здесь частоты гармоник обозначены:The first method is used to measure such physical parameters as permittivity, as well as humidity, density, concentration of a mixture of substances, as well as the level, that is, parameters determined by permittivity. This method is illustrated by frequency plots of U det shown in FIG. 5. Here the harmonic frequencies are indicated:
Для преобразователя 1, у которого проводники на его конце выполнены замкнутыми, номер гармоники i равен количеству полуволн, «укладывающихся» на длине L преобразователя 1:For the
где λ - длина волны в среде материала, заполняющего преобразователь 1, причем номер гармоники i=1,2,3, ….where λ is the wavelength in the medium of the material filling the
Для преобразователя 1 с разомкнутыми на конце проводниками сопротивление равно минимуму при следующем соотношении между длиной преобразователя и длиной волны:For
причем номер гармоники i=1,3,5, ….moreover, the harmonic number i = 1,3,5, ....
Измерения частот гармоник выполняют поочередно при заполнении первичного преобразователя 1 воздухом и при заполнении первичного преобразователя 1 контролируемым материалом. В зависимости от ширины диапазона перестройки в результате измерений можно получить значения частот ряда гармоник. По измеренным частотам гармоник вычисляют показатель преломления материала (точнее, его действительную составляющую).Harmonic frequencies are measured alternately when the
Так как электрическая длина отрезков 7 и 10 не влияет на результаты измерения, то посредством следующих математических выражений можно вычислить показатель преломления n материала:Since the electric lengths of
илиor
илиor
илиor
где m - количество измеренных гармоник, причем m=1,2,3, …;where m is the number of measured harmonics, and m = 1,2,3, ...;
i, j - номера гармоник, причем i≠j, i≠0;i, j are the numbers of harmonics, moreover, i ≠ j, i ≠ 0;
Для обеспечения высокой точности предпочтительнее работа с низшими гармониками. В большинстве практических случаев достаточно проводить измерения только по одной первой гармонике (m=1; i=1).To ensure high accuracy, lower harmonics are preferred. In most practical cases, it is sufficient to measure only the first harmonic (m = 1; i = 1).
Измерение частоты гармоники при воздушном заполнении преобразователя 1 достаточно выполнить один раз при изготовлении прибора и эти данные занести в память процессора устройства измерения 6. При эксплуатации прибора повторное измерение при воздушном заполнении преобразователя может потребоваться только для метрологической поверки.Measurement of the harmonic frequency during air filling of the
Показатель преломления n в технической литературе также называют коэффициентом замедления или коэффициентом укорочения длины волны. Этот параметр связан с диэлектрической проницаемостью εr материала (при малом тангенсе диэлектрических потерь материала) следующим соотношением:The refractive index n is also referred to in the technical literature as a deceleration coefficient or a wavelength shortening coefficient. This parameter is associated with the dielectric constant ε r of the material (with a small tangent of dielectric loss of the material) as follows:
εr=n2.ε r = n 2 .
По измеренным значениям n определяют влажность материала или другие физические параметры, влияющие на показатель преломления, например, концентрацию смеси веществ, плотность, а также количество или уровень материала в емкости, в которой установлен первичный преобразователь. Для определения влажности одновременно измеряют температуру контролируемого материала, по результатам измерения показателя преломления и температуры процессор устройства 6 вычисляет процент содержания воды.The measured values of n determine the moisture content of the material or other physical parameters that affect the refractive index, for example, the concentration of a mixture of substances, density, as well as the amount or level of material in the tank in which the primary transducer is installed. To determine the humidity, the temperature of the controlled material is measured at the same time, according to the results of measuring the refractive index and temperature, the processor of the
Способ 2
Второй способ применяется для измерения таких физических параметров, как уровень материала или количество материала в резервуаре. По этому способу уровень материала находится уже не путем измерения диэлектрической проницаемости, а через измерение расстояния от входа первичного преобразователя до поверхности материала, отражающей электромагнитный зондирующий сигнал. Для измерения уровня второй способ предпочтительнее по сравнению с первым, так как обеспечивает большую точность благодаря тому, что исключено влияние на измерения диэлектрической проницаемости самого материала.The second method is used to measure physical parameters such as the level of the material or the amount of material in the tank. According to this method, the material level is no longer found by measuring the dielectric constant, but by measuring the distance from the input of the primary transducer to the surface of the material reflecting the electromagnetic sounding signal. To measure the level, the second method is preferable compared to the first, as it provides greater accuracy due to the fact that the influence on the measurement of the dielectric constant of the material itself is excluded.
Этот способ иллюстрируется графиками зависимости Udet от частоты, показанными на фиг. 6. По достижению минимума напряжения Udet определяют значения частот одной или нескольких гармоник:This method is illustrated by frequency plots of U det shown in FIG. 6. Upon reaching the minimum voltage U det determine the frequency values of one or more harmonics:
ƒ0 - частота нулевой гармоники;ƒ 0 is the frequency of zero harmonic;
ƒ1 - частота первой гармоники;ƒ 1 - frequency of the first harmonic;
ƒ2 - частота второй гармоники.ƒ 2 - frequency of the second harmonic.
В общем случае:In general:
ƒi+1, ƒi - частоты соседних гармоник с номерами i+1 и i.ƒ i + 1 , ƒ i are the frequencies of neighboring harmonics with numbers i + 1 and i.
Расстояние h от входа первичного преобразователя до поверхности контролируемого материала определяют посредством математических выражений:The distance h from the input of the primary Converter to the surface of the controlled material is determined by mathematical expressions:
илиor
где С - скорость распространения электромагнитного сигнала в воздухе (в среде над контролируемым материалом).where C is the propagation speed of the electromagnetic signal in air (in the medium above the controlled material).
Отметим, что выражение (1) является частным случаем выражения (2) для гармоник с номерами 1 и 0, так как частота нулевой гармоники ƒ0 для первичного преобразователя, у которого на конце 13 установлена перемычка или конец которого погружен в материал, равна нулю:Note that expression (1) is a special case of expression (2) for harmonics with
ƒ0≡0.ƒ 0 ≡0.
Особенность такого подсчета обусловлена тем, что на границе раздела сред воздуха и контролируемого материала зондирующий сигнал отражается, причем в месте отражения образуется узел напряжения. Соответственно входное сопротивление преобразователя 1 достигает минимума, когда на расстоянии L от входа преобразователя 1 до границы раздела сред) «укладывается» целое число i полуволн:The peculiarity of this calculation is due to the fact that a probing signal is reflected at the interface between the air and the controlled material, and a voltage node is formed at the reflection site. Accordingly, the input resistance of the
где λ - длина волны в воздухе (в среде над контролируемым материалом).where λ is the wavelength in air (in the medium above the controlled material).
Отметим, что число полуволн i соответствует номеру гармоники.Note that the number of half-waves i corresponds to the harmonic number.
Подаваемый на вход преобразователя 1 зондирующий сигнал лишь частично отражается от границы раздела сред, но часть этого сигнала проходит в контролируемый материал.The probe signal supplied to the input of
Рассмотрим два случая. Первый, когда контролируемый материал характеризуется низкими диэлектрическими потерями, что имеет место при измерении уровня нефтепродуктов, а также воды с малым содержанием солей. В этом случае прошедший в материал сигнал может отразиться от конца преобразователя 1, отраженный сигнал сложится с сигналом, отраженным от границы сред, что не позволит определить точные значения частот гармоник. Для подавления отражений зондирующего сигнала, прошедшего внутрь контролируемого материала, в погруженном в материал участке длинной линии создают режим бегущих волн посредством согласующего резистора, установленного в оконечном устройстве 13. Сопротивление резистора 13 выбирают равным волновому сопротивлению длинной линии в среде контролируемого материала. Следует отметить, что сопротивление этого резистора всегда будет меньше волнового сопротивления длинной линии 1 в воздухе, поэтому в отсутствии контролируемого материала фаза отраженной от резистора волны будет соответствовать отражению от нижней измеряемой границы раздела сред и прибор будет измерять расстояние до места включения резистора.We consider two cases. First, when the controlled material is characterized by low dielectric losses, which occurs when measuring the level of oil products, as well as water with a low salt content. In this case, the signal that has passed into the material may be reflected from the end of the
В случае, когда контролируемый материал характеризуется высокими диэлектрическими потерями (например, вода с высокой концентрацией солей), сигнал, прошедший в контролируемый материал, полностью поглощается в нем. В этом случае вместо резистора к концу 13 преобразователя 1 может быть подключена коротко замыкающая перемычка. В отсутствии материала перемычка 13 обеспечит отражение зондирующего сигнала с той же фазой, что и от границы раздела сред, и прибор будет измерять расстояние до перемычки 13. Подключение резистора или перемычки в качестве оконечного устройства 13 позволяет исключить неопределенность результата измерений при отсутствии контролируемого материала в резервуаре.In the case when the controlled material is characterized by high dielectric losses (for example, water with a high concentration of salts), the signal transmitted to the controlled material is completely absorbed in it. In this case, instead of the resistor, a short-circuit jumper can be connected to the
И в первом и во втором способах поиск минимумов в частотной характеристике первичного преобразователя 1 и вычисление по ним частот гармоник может выполняться по одному из приведенных ниже методов.In both the first and second methods, the search for minima in the frequency response of the
Метод 1. Генератор 5 перестраивают в диапазоне частот дискретными шагами и на каждом шаге перестройки фиксируют напряжение, измеренное посредством амплитудного детектора 4, или отношение указанного напряжения к напряжению, измеренному посредством второго детектора 14. По набору указанных значений, полученному для всего диапазона частот перестройки, определяют частоты гармоник. По найденным значениям указанных частот процессор устройства 6 вычисляет показатель преломления материала. Далее, по калибровочным характеристикам контролируемого материала с учетом его температуры процессор вычисляет физические параметры этого материала. Для обеспечения работы по данному методу генератор 5 выполнен в виде синтезатора, который формирует частоту зондирующего сигнала по цифровому коду, задаваемому устройством 6 измерения и управления.
Метод 2. Генератор 5 перестраивают в диапазоне частот непрерывно до обнаружения экстремума напряжения Udet, соответствующего минимуму входного сопротивления преобразователя 1. Далее генератор переводят в режим автосопровождения - автоматической подстройки под частоту экстремума. При нахождении экстремума производят отсчет частоты генератора 5 и далее, как и в предыдущем методе, вычисляют показатель преломления, по которому определяют физические параметры контролируемого материала. Для реализации данного метода в устройство 6 введены аналоговый узел, выполненный с возможностью перестройки частоты генератора 5 до достижения минимума входного сопротивления первичного преобразователя 1, и узел измерения частоты генератора 5. Следует отметить, что метод 2 по сравнению с методом 1 более сложен в реализации и более подвержен влиянию помех, вызванных, например, неполным подавлением зондирующего сигнала, прошедшего в контролируемый материал.
В качестве дополнительного пояснения необходимо отметить ряд следующих особенностей, присущих данному техническому решению.As an additional explanation, it is necessary to note a number of the following features inherent in this technical solution.
Вместо одного электроввода, как в прототипе, предлагаемое устройство снабжено двумя электровводами, но для измерения при высоких давлениях такое кажущееся усложнение привело, напротив, к существенному упрощению конструкции устройства измерения.Instead of one electric input, as in the prototype, the proposed device is equipped with two electric inputs, but for measurement at high pressures, this apparent complication led, on the contrary, to a significant simplification of the design of the measuring device.
В рассматриваемом техническом решении реализован способ дистанционного измерения напряжения на входе первичного преобразователя 1, что позволяет вынести все электронные узлы устройства измерения далеко за пределы области с экстремальными условиями. Кроме того, перенос электронных элементов (диодов детекторов 4 и 14) в общий электронный блок упрощает конструкцию устройства измерения, обеспечивает расширение функциональных возможностей его применения.In the considered technical solution, a method for remote voltage measurement at the input of the
По данному техническому решению изготовлен опытный образец устройства для контроля пароводяных смесей (см. фотографию фиг. 7), конструкция которого соответствует изображенной на фиг. 1.According to this technical solution, a prototype of a device for controlling steam-water mixtures (see photo of Fig. 7) is manufactured, the design of which corresponds to that shown in Fig. one.
Испытания изготовленного образца показали, что по сравнению с устройством, соответствующим прототипу, предлагаемое устройство имеет в 4 раза более высокую чувствительность при диэлектрической проницаемости от 1,00 до 1,05. Повышение чувствительности при столь малых значениях диэлектрической проницаемости необходимо для точного измерения параметров пароводяной смеси при высоких значениях показателя сухости пара.Tests of the manufactured sample showed that, compared with the device corresponding to the prototype, the proposed device has 4 times higher sensitivity with a dielectric constant of from 1.00 to 1.05. An increase in sensitivity at such small values of dielectric constant is necessary for accurate measurement of the parameters of the steam-water mixture at high values of the dryness of steam.
Изготовленный образец устройства обеспечивает измерение материалов при температурах до 300°С и давлениях свыше 200 атм. Длина электровводов в данном образце составляет 150 мм. Путем увеличения длины электровводов допустимое рабочее давление можно кардинально увеличить, при этом точность измерения не изменится.The manufactured device sample provides measurement of materials at temperatures up to 300 ° C and pressures above 200 atm. The length of the electrical inputs in this sample is 150 mm. By increasing the length of the electrical inputs, the permissible working pressure can be dramatically increased, while the measurement accuracy will not change.
Claims (10)
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016135005A RU2642541C1 (en) | 2016-08-26 | 2016-08-26 | Device for measuring physical parameters of material |
| DE212017000205.0U DE212017000205U1 (en) | 2016-08-26 | 2017-01-25 | Measuring device for physical parameters of a material |
| PCT/RU2017/000031 WO2018038631A1 (en) | 2016-08-26 | 2017-01-25 | Device for measuring the physical parameters of a material |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016135005A RU2642541C1 (en) | 2016-08-26 | 2016-08-26 | Device for measuring physical parameters of material |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2642541C1 true RU2642541C1 (en) | 2018-01-25 |
Family
ID=61023797
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016135005A RU2642541C1 (en) | 2016-08-26 | 2016-08-26 | Device for measuring physical parameters of material |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE212017000205U1 (en) |
| RU (1) | RU2642541C1 (en) |
| WO (1) | WO2018038631A1 (en) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1991008469A2 (en) * | 1989-11-27 | 1991-06-13 | Phase Dynamics, Inc. | System and method for monitoring substances and reactions |
| US5424649A (en) * | 1993-08-29 | 1995-06-13 | Silora Television & Electronics | Soil moisture sensor |
| RU2199731C1 (en) * | 2001-06-08 | 2003-02-27 | Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН | Device for determination of oil product humidity in pipe line |
| US20080211521A1 (en) * | 2004-12-17 | 2008-09-04 | Delta-T Devices Limited | Moisture Content Sensor and Related Methods |
| RU2365903C1 (en) * | 2008-04-28 | 2009-08-27 | Юрий Всеволодович МАКЕЕВ | Method for measurement of moisture content and salt content in oil |
| RU2571301C2 (en) * | 2013-09-23 | 2015-12-20 | Олег Креонидович Сизиков | Method to measure physical parameters of material |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2585255C2 (en) | 2013-05-22 | 2016-05-27 | Олег Креонидович Сизиков | Moisture meter-dielcometer (versions) |
| RU2576552C1 (en) | 2014-09-17 | 2016-03-10 | Олег Креонидович Сизиков | Method and device for measuring physical parameters of material |
| WO2016043629A1 (en) | 2014-09-17 | 2016-03-24 | Олег Креонидович СИЗИКОВ | Method and device for measuring the physical parameters of a material |
-
2016
- 2016-08-26 RU RU2016135005A patent/RU2642541C1/en active
-
2017
- 2017-01-25 DE DE212017000205.0U patent/DE212017000205U1/en active Active
- 2017-01-25 WO PCT/RU2017/000031 patent/WO2018038631A1/en active Application Filing
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1991008469A2 (en) * | 1989-11-27 | 1991-06-13 | Phase Dynamics, Inc. | System and method for monitoring substances and reactions |
| US5424649A (en) * | 1993-08-29 | 1995-06-13 | Silora Television & Electronics | Soil moisture sensor |
| RU2199731C1 (en) * | 2001-06-08 | 2003-02-27 | Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН | Device for determination of oil product humidity in pipe line |
| US20080211521A1 (en) * | 2004-12-17 | 2008-09-04 | Delta-T Devices Limited | Moisture Content Sensor and Related Methods |
| RU2365903C1 (en) * | 2008-04-28 | 2009-08-27 | Юрий Всеволодович МАКЕЕВ | Method for measurement of moisture content and salt content in oil |
| RU2571301C2 (en) * | 2013-09-23 | 2015-12-20 | Олег Креонидович Сизиков | Method to measure physical parameters of material |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE212017000205U1 (en) | 2019-04-25 |
| WO2018038631A1 (en) | 2018-03-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Bobrov et al. | Wideband frequency domain method of soil dielectric property measurements | |
| RU2184353C2 (en) | Device responding to level of separation surface of materials | |
| WO2007018434A1 (en) | A method and apparatus for measuring the water conductivity and water volume fraction of a multiphase mixture containing water | |
| KR20040004760A (en) | Apparatus and method for measuring the level of a fluid | |
| US20090212789A1 (en) | Modified tdr method and apparatus for suspended solid concentration measurement | |
| RU2733343C2 (en) | Method and system for measuring parameters in well | |
| US9588063B2 (en) | Sensor, measuring device, and measuring method | |
| RU2642541C1 (en) | Device for measuring physical parameters of material | |
| EP2952887A1 (en) | Sensor, measuring device, and measuring method for measuring the permittivity of a sample using a helix conductor | |
| RU2585255C2 (en) | Moisture meter-dielcometer (versions) | |
| CN108548853A (en) | A kind of strong constitutive property soil body water retention characteristic curve transient state high speed tester device and method | |
| NO20140185A1 (en) | System and method for multiphase flow measurements | |
| Bento et al. | Design, development and application of a real-time capacitive sensor for automatically measuring liquid level | |
| RU2576552C1 (en) | Method and device for measuring physical parameters of material | |
| WO2016043629A1 (en) | Method and device for measuring the physical parameters of a material | |
| RU2572087C2 (en) | Moisture meter | |
| Cataldo et al. | Extending industrial applicability of TDR liquid level monitoring through flexible probes | |
| Guo et al. | Embeddable Soil Moisture Content Sensor based on Open–end Microwave Coaxial Cable Resonator | |
| RU2315290C1 (en) | Device for measuring physical properties of materials | |
| Roy et al. | Investigation of cross sensitivity of single and double electrode of admittance type level measurement | |
| US8276443B2 (en) | Method of using a level meter employing the radar principle | |
| Yahya | A multi-level storage tank gauging and monitoring system using a nanosecond pulse | |
| RU2626458C1 (en) | Method of measuring physical properties of liquid | |
| CN217483623U (en) | Liquid interface position microwave measuring device | |
| RU2801067C1 (en) | Oil humidity sensor |