RU2661349C1 - Dielectric fluid moisture content determination method - Google Patents
Dielectric fluid moisture content determination method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2661349C1 RU2661349C1 RU2017133600A RU2017133600A RU2661349C1 RU 2661349 C1 RU2661349 C1 RU 2661349C1 RU 2017133600 A RU2017133600 A RU 2017133600A RU 2017133600 A RU2017133600 A RU 2017133600A RU 2661349 C1 RU2661349 C1 RU 2661349C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- waveguide
- frequency
- electromagnetic waves
- moisture content
- measuring
- 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
- G01N22/04—Investigating moisture content
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения влагосодержания различных диэлектрических жидкостей, находящихся в емкостях (технологических емкостях, измерительных ячейках и т.п.) или перемещаемых по трубопроводам.The invention relates to measuring technique and can be used for high-precision determination of the moisture content of various dielectric fluids in containers (process tanks, measuring cells, etc.) or transported through pipelines.
Известны различные способы и устройства для определения влагосодержания жидкостей, основанные на измерении электрофизических параметров (диэлектрической проницаемости или (и) тангенса угла диэлектрических потерь) жидкостей с применением радиоволновых ВЧ и СВЧ волноводов и резонаторов, содержащих контролируемую жидкость (монографии: Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. - М.: Физматгиз. 1963. 403 с. С. 37-144; Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. - М.: Наука. 1989. 208 с. С. 168-177). Недостатком таких способов и реализующих эти способы измерительных устройств является их ограниченная область применения, обусловленная невозможностью контроля малых изменений влагосодержания жидкостей ввиду невысокой точности измерения соответствующих малых изменений информативных параметров (резонансной частоты, добротности резонатора и др.). Для обеспечения возможности проведения таких измерений применяют двухканальные измерительные схемы с независимыми измерительным и эталонным каналами. В эталонном канале чувствительный элемент содержит жидкость с известными физическими свойствами (монография: Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. - М.: Физматгиз. 1963. 403 с. С. 258-268).There are various methods and devices for determining the moisture content of liquids based on the measurement of electrophysical parameters (dielectric constant or (and) the dielectric loss tangent) of liquids using radio wave RF and microwave waveguides and resonators containing a controlled liquid (monographs: A. Brandt, Research dielectrics at microwave frequencies. - M.: Fizmatgiz. 1963. 403 pp. S. 37-144; Viktorov V.A., Lunkin B.V., Sovlukov A.S. Radio wave measurements of process parameters.- M .: Nauka 1989. 208 pp. 168-177). The disadvantage of such methods and measuring devices that implement these methods is their limited scope, due to the inability to control small changes in the moisture content of liquids due to the low accuracy of measurement of the corresponding small changes in informative parameters (resonant frequency, quality factor of the resonator, etc.). To ensure the possibility of such measurements, two-channel measuring circuits with independent measuring and reference channels are used. In the reference channel, the sensing element contains a liquid with known physical properties (monograph: A. Brandt. Investigation of dielectrics at microwave frequencies. - M .: Fizmatgiz. 1963. 403 pp. 258-268).
Известен также способ определения влагосодержания жидкости, который заключается в проведении измерений фазового сдвига зондирующих и провзаимодействовавших с контролируемым веществом электромагнитных волн на двух фиксированных частотах (RU 2614054 С1, 22.03.2017). Этот способ обеспечивает независимость результатов измерения влагосодержания от диэлектрической проницаемости контролируемого диэлектрического вещества. Недостатком этого способа являются его ограниченные функциональные возможности, характеризуемые сложностью реализации и необходимостью применения антенн для зондирования и приема электромагнитных волн в поперечном к стенкам емкости или трубопровода направлении через специальные диэлектрические "окна" в стенках емкости (измерительной ячейки) с веществом (при измерениях в стационарных условиях) или трубопровода с перемещаемым веществом (при измерениях в трубопроводах). Это может встречать затруднения при реализации, в частности, при измерениях в емкостях (измерительных ячейках) или трубопроводах малых диаметров.There is also a method of determining the moisture content of a liquid, which consists in measuring the phase shift of the probe waves that interacted with the controlled substance and electromagnetic waves at two fixed frequencies (RU 2614054 C1, 03/22/2017). This method ensures that the moisture content measurement results are independent of the dielectric constant of the controlled dielectric substance. The disadvantage of this method is its limited functionality, characterized by the complexity of implementation and the need to use antennas for sensing and receiving electromagnetic waves in the direction transverse to the walls of the vessel or pipeline through special dielectric "windows" in the walls of the vessel (measuring cell) with the substance (when measured in stationary conditions) or a pipeline with a moving substance (when measuring in pipelines). This may encounter difficulties in implementation, in particular, when measuring in containers (measuring cells) or pipelines of small diameters.
Известно также техническое решение (RU 2626409 С1, 27.07.2017), которое содержит описание способа, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому способу и принятого в качестве прототипа. Согласно этому способу-прототипу определение влагосодержания жидкости производят при возбуждении электромагнитных волн фиксированной частоты в волноводе с контролируемой жидкостью на одном из его торцов, при этом частоту возбуждаемых электромагнитных волн выбирают ниже критической частоты волновода, принимают электромагнитные волны после их распространения вдоль волновода на другом его торце и измеряют амплитуду напряженности электрического поля. Недостатком данного способа измерения является ограниченность его функциональных возможностей, обусловленная невысокой точностью измерений при изменении диэлектрической проницаемости влагосодержащей жидкости, что имеет место, например, при изменении сорта жидкого топлива (нефтепродукта).A technical solution is also known (RU 2626409 C1, 07.27.2017), which contains a description of the method, which, by technical essence, is closest to the proposed method and adopted as a prototype. According to this prototype method, the moisture content of a liquid is determined by excitation of electromagnetic waves of a fixed frequency in a waveguide with a controlled liquid at one of its ends, while the frequency of the excited electromagnetic waves is chosen below the critical frequency of the waveguide, electromagnetic waves are received after their propagation along the waveguide at its other end and measure the amplitude of the electric field. The disadvantage of this method of measurement is the limited functionality, due to the low accuracy of the measurements when the dielectric constant of the moisture-containing liquid changes, which occurs, for example, when changing the grade of liquid fuel (oil product).
Техническим результатом настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей способа измерения за счет повышения точности измерения.The technical result of the present invention is to expand the functionality of the measurement method by increasing the accuracy of the measurement.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе измерения влагосодержания диэлектрической жидкости, при котором в первом такте измерений возбуждают электромагнитные волны первой фиксированной частоты в волноводе с контролируемой жидкостью на одном из его торцов, при этом частоту возбуждаемых электромагнитных волн выбирают ниже критической частоты волновода, принимают электромагнитные волны после их распространения вдоль волновода на другом его торце и измеряют амплитуду напряженности электрического поля, согласно изобретению дополнительно во втором такте измерений возбуждают в волноводе электромагнитные волны фиксированной частоты, которую выбирают выше критической частоты волновода, принимают электромагнитные волны после их распространения вдоль волновода на другом его торце и измеряют фазовый сдвиг возбуждаемых и принимаемых электромагнитных волн, при этом хотя бы одну из частот выбирают в области наличия частотной дисперсии диэлектрической проницаемости воды на этой частоте, производят совместное функциональное преобразование измеренных амплитуды и фазового сдвига, по результату которого судят о влагосодержании жидкости.The technical result is achieved by the fact that in the proposed method for measuring the moisture content of a dielectric fluid, in which in the first measurement step, electromagnetic waves of a first fixed frequency are excited in a waveguide with a controlled liquid at one of its ends, while the frequency of the excited electromagnetic waves is chosen below the critical frequency of the waveguide, take electromagnetic waves after their propagation along the waveguide at its other end and measure the amplitude of the electric field, according but the invention additionally in the second measurement step excites in the waveguide electromagnetic waves of a fixed frequency, which is selected above the critical frequency of the waveguide, receives electromagnetic waves after their propagation along the waveguide at its other end and measures the phase shift of the excited and received electromagnetic waves, while at least one of frequencies are selected in the field of the presence of a frequency dispersion of the dielectric constant of water at this frequency; a joint functional transformation is performed amplitude and phase shift, the result of which is used to judge the moisture content of the liquid.
Предлагаемый способ поясняется чертежом. На фиг. 1 приведена схема устройства, поясняющая принцип измерения с применением способа.The proposed method is illustrated in the drawing. In FIG. 1 is a diagram of a device explaining the principle of measurement using the method.
Здесь показаны волновод 1, генераторы 2 и 3, первый коммутатор 4, элементы связи 5 и 6, второй коммутатор 7, детектор 8, функциональный преобразователь 9, фазометр 10, регистратор 11.Shown here are
Способ реализуется следующим образом.The method is implemented as follows.
В данном способе реализуют структурный подход к достижению инвариантности к диэлектрической проницаемости εн контролируемой жидкости, в частности к ее сортности, изменения которой имеют место, в частности, при контроле нефти и нефтепродуктов в какой-либо емкости или в процессе их транспортирования по трубопроводу. Этот подход связан с организацией двух измерительных каналов (двух последовательных тактов измерений на двух разных фиксированных частотах ƒ1 и ƒ2) и совместным функциональным преобразованием их выходных величин с целью получения результата этого преобразования, который не зависит от возмущающего фактора, в данном случае - от величины диэлектрической проницаемости εн контролируемой жидкости и изменений εн.This method implements a structural approach to achieving the invariance of the dielectric constant ε n of the controlled fluid, in particular its grade, the changes of which take place, in particular, when controlling oil and oil products in any tank or during their transportation through the pipeline. This approach is associated with the organization of two measuring channels (two consecutive measurement clocks at two different fixed frequencies ƒ 1 and ƒ 2 ) and the joint functional transformation of their output quantities in order to obtain the result of this transformation, which does not depend on the disturbing factor, in this case, on the dielectric constant ε n of the controlled fluid and changes ε n .
Предлагаемый способ заключается в возбуждении электромагнитных волн в волноводе, используемом в качестве измерительной ячейки (при измерениях в стационарных условиях) или в качестве отрезка измерительного волновода, встроенного в трубопровод с перекачиваемой жидкостью (при измерениях в трубопроводах). Электромагнитные волны в волноводе возбуждают последовательно на двух разных фиксированных частотах ƒ1 и ƒ2, одна из которых, для определенности частота ƒ1 ниже критической частоты ƒкр для волны низшего типа, а другая частота, для определенности, частота ƒ2, выше этой критической частоты ƒкр. При этом на частоте ƒ1 вдоль волновода существует только ослабевающее реактивное поле, убывающее при удалении от возбуждающего элемента у одного из торцов емкости. На частоте ƒ2 электромагнитные волны распространяются в обычном режиме на "рабочем" типе волн, в частности на низшем типе Н11 в круглом волноводе (Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т. 1. – М.: Высшая школа. 1970. 440 с. С. 80-89).The proposed method consists in the excitation of electromagnetic waves in a waveguide used as a measuring cell (for measurements under stationary conditions) or as a segment of a measuring waveguide integrated in a pipeline with pumped liquid (for measurements in pipelines). Electromagnetic waves in a waveguide excite sequentially at two different fixed frequencies ƒ 1 and ƒ 2 , one of which, for definiteness, is ƒ 1 below the critical frequency ƒ kr for a lower type wave, and the other frequency, for definiteness, is ƒ 2 above this critical frequency ƒ cr . In this case, at a frequency of вдоль 1 along the waveguide, there is only a weakening reactive field that decreases with distance from the exciting element at one of the ends of the capacitance. At a frequency of ƒ 2, electromagnetic waves propagate in the usual mode on the "working" type of waves, in particular on the lower type H 11 in a circular waveguide (Lebedev I.V. Technique and microwave devices. T. 1. - M .: Higher school. 1970 440 p. S. 80-89).
Электромагнитные волны принимают после их распространения вдоль данного волновода на другом его торце и измеряют на частоте ƒ1, ниже критической частоты волновода, амплитуду Е напряженности электрического поля и на частоте ƒ2, выше критической частоты волновода, фазовый сдвиг Δϕ электромагнитных волн, возбуждаемых на одном торце волновода и принимаемых на другом его торце. По результату совместного преобразования измеренных амплитуды Е и фазового сдвига Δϕ судят о влагосодержании жидкости. При этом хотя бы одну из частот ƒ1 или ƒ2 выбирают в области наличия частотной дисперсии диэлектрической проницаемости воды на этой частоте.After their propagation along a given waveguide at its other end, electromagnetic waves are received and measured at a frequency ƒ 1 , below the critical waveguide frequency, the amplitude E of the electric field strength and at a frequency ƒ 2 , above the critical waveguide frequency, the phase shift Δϕ of electromagnetic waves excited at one the end of the waveguide and taken at its other end. According to the result of the joint conversion of the measured amplitude E and the phase shift Δϕ judge the moisture content of the liquid. Moreover, at least one of the frequencies ƒ 1 or ƒ 2 is selected in the region of the presence of a frequency dispersion of the dielectric constant of water at this frequency.
Условием распространения электромагнитных волн по любому волноводу является выполнение неравенства: ƒ>ƒкp, которому должны удовлетворять рабочая частота ƒ и критическая частота ƒкр для волны низшего типа, например для волны Н11 в круглом волноводе. При ƒ<ƒкp имеет место режим, при котором распространения волн по волноводу не происходит, а существует только ослабевающее реактивное поле, убывающее при удалении от возбуждающего элемента (Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т. 1. - М.: Высшая школа. 1970. 440 с. С. 132-136).The condition for the propagation of electromagnetic waves along any waveguide is the following inequality: ƒ> ƒ kp , which must be satisfied by the operating frequency ƒ and the critical frequency ƒ kr for a lower type wave, for example, for wave H 11 in a circular waveguide. When ƒ <ƒ kp, there is a regime in which the propagation of waves along the waveguide does not occur, but there is only a weakening reactive field that decreases with distance from the exciting element (Lebedev I.V. Technique and microwave devices. T. 1. - M .: Higher School. 1970.440 p. S. 132-136).
При этом электрическое поле (как и магнитное поле) изменяется вдоль координаты z (оси волновода) по закону:In this case, the electric field (like the magnetic field) changes along the z coordinate (axis of the waveguide) according to the law:
а постоянная ослабления α естьand the attenuation constant α is
В этих формулах Е0 - амплитуда напряженности электрического поля при z=0; ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрической жидкости в волноводе, с - скорость света. Выбирая соотношение между ƒ и ƒкр, можно управлять величиной ослабления α.In these formulas, E 0 is the amplitude of the electric field at z = 0; ε is the dielectric constant of the dielectric fluid in the waveguide, c is the speed of light. Choosing the ratio between ƒ and ƒ cr , we can control the amount of attenuation α.
Если частота ƒ генератора меньше критической частоты ƒкр данного волновода, то амплитуда напряженности Е электрического поля, являющаяся информативным параметром, в точке приема естьIf the generator frequency ƒ is less than the critical frequency ƒ cr of a given waveguide, then the amplitude of the electric field strength E, which is an informative parameter, is
где Е0 - амплитуда напряженности поля в области возбуждения электромагнитных волн в рассматриваемом волноводе (т.е. в области расположения связи 3), λкр - критическая длина волны для данного волновода, l - длина измерительного участка, т.е. расстояние вдоль волновода между элементами возбуждения и съема электромагнитных колебаний. Напряженность электрического поля Е при удалении от элемента связи, служащего для возбуждения и приема электромагнитных колебаний, спадает в соответствии с соотношением (3). При этом значение Е зависит от влагосодержания контролируемой жидкости в волноводе.Where E 0 is the amplitude of the field strength in the region of excitation of electromagnetic waves in the waveguide under consideration (i.e., in the region of coupling location 3), λ cr is the critical wavelength for a given waveguide, l is the length of the measuring section, i.e. the distance along the waveguide between the elements of excitation and removal of electromagnetic waves. The electric field strength E decreases with distance from the communication element, which serves to excite and receive electromagnetic waves, in accordance with relation (3). The value of E depends on the moisture content of the controlled fluid in the waveguide.
Для волн низшего типа Н11 имеем λкр=3,4d/2 и, соответственно, где d - внутренний диаметр волновода (Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т. 1. - М.: Высшая школа. 1970. 440 с. С. 132-136). Например, при d=30 мм, для волн типа Н11 будем иметь λкр=3,41d/2=5,115 см; тогда ƒкp=5,865/√ε ГГц. Если, например, ε=2,0, то должно быть ƒ<ƒкp = 5,865/√ε ГГц = 4,148 ГГц.For waves of the lower type H 11 we have λ cr = 3.4d / 2 and, accordingly, where d is the internal diameter of the waveguide (Lebedev I.V. Technique and microwave devices. T. 1. - M .: Higher school. 1970. 440 p. S. 132-136). For example, with d = 30 mm, for waves of type H 11 we will have λ cr = 3.41 d / 2 = 5.115 cm; then ƒ kp = 5.865 / √ε GHz. If, for example, ε = 2.0, then there should be ƒ <ƒ кp = 5.865 / √ε GHz = 4.148 GHz.
Длина l измерительного участка, частота ƒ генератора выбираются с учетом диаметра волновода, электрофизических параметров контролируемой жидкости и диапазона их изменения.The length l of the measuring section, the frequency ƒ of the generator are selected taking into account the diameter of the waveguide, the electrophysical parameters of the controlled fluid and the range of their variation.
Согласно данному способу, определение влагосодержания производят при проведении двух последовательных тактов измерений на фиксированных частотах ƒ1 и ƒ2. According to this method, the determination of moisture content is carried out during two consecutive measurement cycles at fixed frequencies ƒ 1 and ƒ 2.
В первом такте измерений, при возбуждении в волноводе на одном из его торцов электромагнитных волн на фиксированной частоте ƒ1, меньшей критической частоты ƒкр волновода, принимают электромагнитные волны после их распространения вдоль волновода на другом его торце и измеряют амплитуду Е напряженности электрического поля:In the first measurement step, when electromagnetic waves are excited in one of the ends of the waveguide at a fixed frequency ƒ 1 , less than the critical frequency ƒ cr of the waveguide, electromagnetic waves are received after their propagation along the waveguide at its other end and the amplitude E of the electric field is measured:
где Where
Е0 - амплитуда напряженности поля в области возбуждения электромагнитных волн в рассматриваемом волноводе, l - длина измерительного участка, т.е. расстояние вдоль волновода между элементами возбуждения и съема электромагнитных колебаний, λкр - критическая длина волны в волноводе, ε(ƒ1) - диэлектрическая проницаемость жидкости на частоте ƒ1.E 0 is the amplitude of the field strength in the field of excitation of electromagnetic waves in the waveguide under consideration, l is the length of the measuring section, i.e. the distance along the waveguide between the elements of excitation and removal of electromagnetic waves, λ cr is the critical wavelength in the waveguide, ε (ƒ 1 ) is the dielectric constant of the liquid at a frequency of ƒ 1 .
Во втором такте измерений, при возбуждении в волноводе на одном из его торцов электромагнитных волн на фиксированной частоте ƒ2, большей той же критической частоты ƒкp волновода (или иной критической частоты для какого-либо другого рабочего типа волн, если его выбирают для измерений), принимают электромагнитные волны после их распространения вдоль волновода на другом его торце и измеряют фазовый сдвиг Δϕ электромагнитных волн, возбуждаемых на одном торце волновода и принимаемых на другом его торце:In the second measurement step, when electromagnetic waves at a fixed frequency ƒ 2 are excited in a waveguide at one of its ends, greater than the same critical frequency ƒ kp of the waveguide (or another critical frequency for some other working wave type, if it is chosen for measurements) receive electromagnetic waves after their propagation along the waveguide at its other end and measure the phase shift Δϕ of electromagnetic waves excited at one end of the waveguide and received at its other end:
где ε(ƒ2) - диэлектрическая проницаемость жидкости на частоте ƒ2.where ε (ƒ 2 ) is the dielectric constant of the liquid at a frequency of ƒ 2 .
Величина диэлектрической проницаемости ε влагосодержащего диэлектрика, имеющего диэлектрическую проницаемость εн и влагосодержание W, описывается при малых W формулой Винера (Теория и практика экспрессного контроля влажности твердых и жидких материалов / Кричевский Е.С., Бензарь В.К., Венедиктов В. М.В. Под общ. ред. Кричевского Е.С. М: Энергия. 1980. 240 с. С. 55-66):The dielectric constant ε of a moisture-containing dielectric having a dielectric constant ε n and a moisture content of W is described for small W by the Wiener formula (Theory and practice of express control of humidity of solid and liquid materials / Krichevsky ES, Benzar VK, Venediktov V. M .V. Under the general editorship of Krichevsky E.S. M: Energy. 1980. 240 p. S. 55-66):
где εв(ƒ) - диэлектрическую проницаемость воды, являющаяся функцией частоты ƒ в СВЧ-диапазоне частот.Where ε in (ƒ) is the dielectric constant of water, which is a function of frequency ƒ in the microwave frequency range.
Например, если производить измерения на частоте ƒ1=10 ГГц, то (ƒ1)=1,095, а на частоте ƒ2=37,5 ГГц, то D(ƒ2)=1,383, если считать εн=2.For example, if measurements are taken at a frequency of ƒ 1 = 10 GHz, then (ƒ 1 ) = 1.095, and at a frequency of ƒ 2 = 37.5 GHz, then D (ƒ 2 ) = 1.383, if we take ε n = 2.
Выражения для D(ƒ1), D(ƒ2) в формулах (4) и (5) можно упростить, если положить D(ƒ1)-W≈D(ƒ1), D(ƒ1)-W≈D(ƒ2), и не зависят от εн, то допустимо при малых значениях влагосодержания (до ~ 5%) и реальных пределах изменения εн.The expressions for D (ƒ 1 ), D (ƒ 2 ) in formulas (4) and (5) can be simplified if we put D (ƒ 1 ) -W≈D (ƒ 1 ), D (ƒ 1 ) -W≈D (ƒ 2 ), and do not depend on ε n , then it is permissible for small values of moisture content (up to ~ 5%) and real limits of variation of ε n .
Постоянство величин D(ƒ1) и D(ƒ2) для соответствующих частот ƒ1 и ƒ2 вытекает из постоянства величин εн и εв, входящих в формулы для D(ƒ1) и D(ƒ2). Величина εн постоянна в широком диапазоне изменения частоты ƒ, величина εв постоянна на недисперсионном участке кривой εв(ƒ) и принимается постоянной на дисперсионном участке этой кривой. Это справедливо при проведении изменений с помощью измерительных устройств, работающих на фиксированных частотах.The constancy of the quantities D (ƒ 1 ) and D (ƒ 2 ) for the corresponding frequencies ƒ 1 and ƒ 2 follows from the constancy of the quantities ε н and ε в , which enter into the formulas for D (ƒ 1 ) and D (ƒ 2 ). The value of ε n is constant over a wide range of changes in the frequency ƒ, the value of ε is constant in the non-dispersive section of the ε curve in (ƒ) and is assumed to be constant in the dispersion section of this curve. This is true when making changes using measuring devices operating at fixed frequencies.
Покажем теперь на реальном примере, что D(ƒ1)-W и D(ƒ2)-W, а точнее, величины 3/(D(ƒ1)-W) и 3/(D(ƒ2)-W), входящие в общем виде при произвольном значении частоты ƒ в формулу (1), не зависят (с некоторой допустимой погрешностью) от εв. Так, при реальном изменении εв на 10% по сравнению с первоначальным значением εн=2, т.е. до значения 2,2, при значениях частот ƒ1=10 ГГц и ƒ2=37,5 ГГц будем иметь:We now show by a real example that D (ƒ 1 ) -W and D (ƒ 2 ) -W, or rather, the
при εн=2: D(ƒ1)=1,095, D(ƒ2)=1,383;when ε n = 2: D (ƒ 1 ) = 1.095, D (ƒ 2 ) = 1.383;
при εн=2,2: D(ƒ1)=1,105, D(ƒ2)=1,337.for ε n = 2.2: D (ƒ 1 ) = 1.105, D (ƒ 2 ) = 1.337.
Отсюда следует, что относительное изменение D(ƒ1) есть ~ 0,9%, а относительное изменение D(ƒ2) есть ~ 2,6%.It follows that the relative change in D (ƒ 1 ) is ~ 0.9%, and the relative change in D (ƒ 2 ) is ~ 2.6%.
Оценим, как влияют эти изменения D(ƒ1) и D(ƒ2) на коэффициенты при W в формуле (1) при ƒ=ƒ1 и ƒ=ƒ2, а именно на коэффициент k1=3/(D(ƒ1)-W) и коэффициент k2=3/(D(ƒ2)-W):Let us evaluate how these changes D (ƒ 1 ) and D (ƒ 2 ) affect the coefficients of W in formula (1) for ƒ = ƒ 1 and ƒ = ƒ 2 , namely, the coefficient k 1 = 3 / (D (ƒ 1 ) -W) and the coefficient k 2 = 3 / (D (ƒ 2 ) -W):
при εн=2 имеем: k1 ≈ 2,752, k2 ≈ 2,31;when ε n = 2, we have: k 1 ≈ 2.752, k 2 ≈ 2.31;
при εн=2,2 имеем: k1 ≈ 2,727, k2 ≈ 2,33.when ε n = 2.2, we have: k 1 ≈ 2.727, k 2 ≈ 2.33.
Отсюда следует, что относительное изменение как k1, так и есть ~ 0,9%, что в ~ 100 раз меньше относительного изменения εн, т.е. реальное изменение εн не влияет практически на k1 и k2. В формулах для D(ƒ1) и D(ƒ2) можно использовать для выражения εн значение - номинальное значение диэлектрической проницаемости обезвоженной диэлектрической жидкости.It follows that the relative change in k 1 is ~ 0.9%, which is ~ 100 times less than the relative change in ε n , i.e. the real change in ε n does not practically affect k 1 and k 2 . In the formula for D (ƒ 1) and D (ƒ 2) can be used to express the value of ε n - the nominal value of the dielectric constant of the dehydrated dielectric fluid.
Отметим, что для реализации данного способа измерений достаточно, если рассматриваемой частотной дисперсией обладает вода только на одной из двух рабочих частот (ƒ1 или ƒ2).Note that for the implementation of this method of measurement, it is sufficient if the considered frequency dispersion has water at only one of two operating frequencies (ƒ 1 or ƒ 2 ).
При проведении измерений в первом такте на частоте ƒ1 будем иметь:When making measurements in the first cycle at a frequency of ƒ 1, we will have:
где εв(ƒ1) - диэлектрическая проницаемость воды, являющаяся функцией частоты ƒ1 в СВЧ-диапазоне частот, - номинальное значение диэлектрической проницаемости обезвоженной диэлектрической жидкости. При проведении измерений во втором такте на частоте ƒ2 будем иметь:Where ε in (ƒ 1 ) is the dielectric constant of water, which is a function of frequency ƒ 1 in the microwave frequency range, - the nominal value of the dielectric constant of the dehydrated dielectric fluid. When taking measurements in the second cycle at a frequency of ƒ 2, we will have:
где Where
εв(ƒ2) - диэлектрическая проницаемость воды, являющаяся функцией частоты ƒ2 в СВЧ-диапазоне частот, - номинальное значение диэлектрической проницаемости обезвоженной диэлектрической жидкости.ε in (ƒ 2 ) is the dielectric constant of water, which is a function of frequency ƒ 2 in the microwave frequency range, - the nominal value of the dielectric constant of the dehydrated dielectric fluid.
При достаточно больших значениях W следует использовать другие известные выражения для ε (Теория и практика экспрессного контроля влажности твердых и жидких материалов / Кричевский Е.С., Бензарь В.К., Венедиктов В. М.В. Под общ. ред. Кричевского Е.С. - М.: Энергия. 1980. 240 с.).For sufficiently large values of W, other well-known expressions for ε should be used (Theory and practice of express control of humidity of solid and liquid materials / Krichevsky E.S., Benzar V.K., Venediktov V.V. M. Under the general editorship of Krichevsky E .S. - M.: Energy. 1980.240 s.).
При рассмотрении (7) и (8) как системы уравнений и ее решении относительно искомого влагосодержания W получимWhen considering (7) and (8) as a system of equations and its solution with respect to the desired moisture content W, we obtain
С учетом формул (4) и (5) выражение (9) принимает следующий вид:Taking into account formulas (4) and (5), expression (9) takes the following form:
Формулу (10) запишем в следующем виде:We write formula (10) as follows:
где k1, k2, k3, k4, k5, k6 - постоянные величины, причемwhere k 1 , k 2 , k 3 , k 4 , k 5 , k 6 are constant values, and
Таким образом, осуществляя совместное преобразование измеряемых значений амплитуды Е и фазового сдвига Δϕ согласно соотношению (11), получаем значение влагосодержания W, которое не зависит от диэлектрической проницаемости εн контролируемой жидкости и ее возможных изменений.Thus, performing a joint conversion of the measured values of the amplitude E and the phase shift Δϕ according to relation (11), we obtain the moisture content value W, which is independent of the dielectric constant ε n of the controlled fluid and its possible changes.
На фиг. 1 приведена схема устройства для реализации данного способа.In FIG. 1 shows a diagram of a device for implementing this method.
Возбуждение электромагнитных волн в волноводе 1 осуществляется последовательно, в первом и втором тактах измерений, на фиксированной частоте ƒ1, меньшей критической частоты ƒкр для этого волновода, и на фиксированной частоте ƒ2, большей критической частоты ƒкр, с помощью, соответственно, генератора 2 и генератора 3 через первый коммутатор 4 и элемент связи 5. Другой элемент связи (приема) 6 электромагнитных волн расположен на расстоянии l вдоль волновода 1. В первом такте измерений принимаемые волны на частоте ƒ1 поступают через второй коммутатор 7 на детектор 8 и затем продетектированные сигналы амплитуды Е подаются на первый вход функционального преобразователя 9. Во втором такте измерений принимаемые волны на частоте ƒ2 поступают с выхода коммутатора 7 на первый вход фазометра 10, на второй вход которого подаются волны с генератора 2 для определения фазового сдвига Δϕ. С выхода фазометра 10 сигналы поступают на второй вход функционального преобразователя 9, в котором осуществляют совместное преобразование значений амплитуды Е и фазового сдвига Δϕ согласно вышеприведенному соотношению. Выход функционального преобразователя 9 подсоединен к регистратору 11 для определения искомого влагосодержания W, которое не зависит от значения εн.The excitation of electromagnetic waves in
Для волноводов конкретных размеров выбором частот ƒ1 и ƒ2 генераторов 2 и 3 и размеров волновода (измерительной ячейки) можно оптимизировать чувствительность устройства для измерения влагосодержания жидкости в рабочем диапазоне его изменения. При этом имеет место монотонность зависимости информативных параметров - значений амплитуды Е и фазового сдвига Δϕ - от значений, соответственно, ε(ƒ1) и ε(ƒ2), функционально связанных с измеряемым влагосодержанием жидкости.For waveguides of specific sizes, the choice of frequencies ƒ 1 and ƒ 2 of generators 2 and 3 and the sizes of the waveguide (measuring cell) can optimize the sensitivity of the device for measuring the moisture content of a liquid in the operating range of its change. In this case, there is a monotonic dependence of the informative parameters — the values of the amplitude E and the phase shift Δϕ — on the values, respectively, of ε (ƒ 1 ) and ε (ƒ 2 ), functionally related to the measured moisture content of the liquid.
Таким образом, данный способ позволяет достаточно просто и с высокой точностью определять влагосодержание различных диэлектрических жидкостей с высокой точностью, независимо от диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости. Предлагаемый способ может быть реализован как при работе с образцами контролируемой влагосодержащей жидкости в стационарных условиях, так и при ее движении - при перемещении жидкости по трубопроводу.Thus, this method allows a sufficiently simple and high accuracy to determine the moisture content of various dielectric fluids with high accuracy, regardless of the dielectric constant of the controlled fluid. The proposed method can be implemented both when working with samples of a controlled moisture-containing fluid in stationary conditions, and when it moves - when moving the fluid through the pipeline.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017133600A RU2661349C1 (en) | 2017-09-27 | 2017-09-27 | Dielectric fluid moisture content determination method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017133600A RU2661349C1 (en) | 2017-09-27 | 2017-09-27 | Dielectric fluid moisture content determination method |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2661349C1 true RU2661349C1 (en) | 2018-07-16 |
Family
ID=62916961
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017133600A RU2661349C1 (en) | 2017-09-27 | 2017-09-27 | Dielectric fluid moisture content determination method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2661349C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2786527C1 (en) * | 2021-08-27 | 2022-12-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Method for measurement of physical properties of liquid |
EP4354126A1 (en) * | 2022-10-12 | 2024-04-17 | Instytut Wysokich Cisnien Polskiej Akademii Nauk | A method, a measurement setup and computer program product for sensing fuel contamination |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20050057263A1 (en) * | 2002-08-29 | 2005-03-17 | Moshe Danny S. | Using surface microwaves for measuring and determining density and/or moisture content of a material |
CN101907578A (en) * | 2009-06-05 | 2010-12-08 | 西安阿尔特科技实业发展有限责任公司 | Realization method of microwave-method cotton moisture-regain on-line measuring system |
KR20120061116A (en) * | 2010-10-25 | 2012-06-13 | 한국건설생활환경시험연구원 | Method and Apparatus for Measuring Moisture Content in a Sample Using Multi Phase Microwave |
RU2612033C1 (en) * | 2015-12-09 | 2017-03-02 | Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН | Method for measuring composition of three-component water-containing substance in stream |
RU2614054C1 (en) * | 2016-04-06 | 2017-03-22 | Федеральное государственное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Method for measuring liquid moisture content |
RU2626409C1 (en) * | 2016-09-22 | 2017-07-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Method of measuring physical properties of liquid |
-
2017
- 2017-09-27 RU RU2017133600A patent/RU2661349C1/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20050057263A1 (en) * | 2002-08-29 | 2005-03-17 | Moshe Danny S. | Using surface microwaves for measuring and determining density and/or moisture content of a material |
CN101907578A (en) * | 2009-06-05 | 2010-12-08 | 西安阿尔特科技实业发展有限责任公司 | Realization method of microwave-method cotton moisture-regain on-line measuring system |
KR20120061116A (en) * | 2010-10-25 | 2012-06-13 | 한국건설생활환경시험연구원 | Method and Apparatus for Measuring Moisture Content in a Sample Using Multi Phase Microwave |
RU2612033C1 (en) * | 2015-12-09 | 2017-03-02 | Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН | Method for measuring composition of three-component water-containing substance in stream |
RU2614054C1 (en) * | 2016-04-06 | 2017-03-22 | Федеральное государственное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Method for measuring liquid moisture content |
RU2626409C1 (en) * | 2016-09-22 | 2017-07-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Method of measuring physical properties of liquid |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2789379C2 (en) * | 2018-07-23 | 2023-02-02 | Шлюмбергер Текнолоджи Б.В. | Methods and device for detection of water in multiphase flows |
RU2786527C1 (en) * | 2021-08-27 | 2022-12-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Method for measurement of physical properties of liquid |
EP4354126A1 (en) * | 2022-10-12 | 2024-04-17 | Instytut Wysokich Cisnien Polskiej Akademii Nauk | A method, a measurement setup and computer program product for sensing fuel contamination |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2626409C1 (en) | Method of measuring physical properties of liquid | |
RU2473889C1 (en) | Method of measuring physical quantity | |
RU2665692C1 (en) | Method and device for measuring physical parameters of material | |
RU2647182C1 (en) | Method of measuring the position of the border of the section of the two environments in the tank | |
RU2365903C1 (en) | Method for measurement of moisture content and salt content in oil | |
RU2661349C1 (en) | Dielectric fluid moisture content determination method | |
US7288944B1 (en) | Evanescent waveguide apparatus and method for measurement of dielectric constant | |
RU2659569C1 (en) | Dielectric fluid moisture content measurement method | |
RU2504739C1 (en) | Device for determining fluid level in container | |
RU2706455C1 (en) | Method of measuring interface position of two substances in a reservoir | |
RU2698575C1 (en) | Method of measuring interface position of two substances in a reservoir | |
RU2536164C1 (en) | Device to detect concentration of mixture of substances | |
RU2536184C1 (en) | Concentration meter | |
RU2612033C1 (en) | Method for measuring composition of three-component water-containing substance in stream | |
RU2620780C1 (en) | Method for determining interface position between components of three-component medium in container | |
RU2752555C1 (en) | Method for determining position of interface between two liquids in tank | |
Lu et al. | Quantitative evaluation of wall thinning of metal pipes by microwaves | |
RU2786527C1 (en) | Method for measurement of physical properties of liquid | |
RU2767585C1 (en) | Method of measuring physical properties of dielectric liquid | |
RU2762058C1 (en) | Device for measuring the physical properties of a dielectric liquid | |
RU2691288C1 (en) | Method for measuring inner diameter of metal pipe | |
RU2761954C1 (en) | Method for measuring the physical properties of a dielectric liquid | |
RU2626458C1 (en) | Method of measuring physical properties of liquid | |
RU2647186C1 (en) | Method for measuring a position of interfaces between components of three-component medium in a tank | |
RU2775867C1 (en) | Method for measuring the level of dielectric liquid in a tank |