RU2767585C1 - Method of measuring physical properties of dielectric liquid - Google Patents

Method of measuring physical properties of dielectric liquid Download PDF

Info

Publication number
RU2767585C1
RU2767585C1 RU2021111317A RU2021111317A RU2767585C1 RU 2767585 C1 RU2767585 C1 RU 2767585C1 RU 2021111317 A RU2021111317 A RU 2021111317A RU 2021111317 A RU2021111317 A RU 2021111317A RU 2767585 C1 RU2767585 C1 RU 2767585C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
long line
coaxial
liquid
coaxial long
electromagnetic waves
Prior art date
Application number
RU2021111317A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Сергеевич Совлуков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук
Priority to RU2021111317A priority Critical patent/RU2767585C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2767585C1 publication Critical patent/RU2767585C1/en

Links

Images

Classifications

    • 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

FIELD: physics.SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment and can be used for high-precision determination of various physical properties (concentration, mixture of substances, moisture content, density, and so forth) of liquids in containers (process tanks, measuring cells, etc.). Essence of the claimed solution lies in the fact that in the method of measuring physical properties of a dielectric liquid, in which electromagnetic waves are excited in each of two sections of a coaxial long line, which serve as sensitive elements of measuring channels, working and reference, and filled with the controlled liquid and the reference liquid, respectively, the value of the informative parameter of each of the sensitive elements is measured and the value of the measured physical property of the liquid is determined from the difference of these values of the informative parameter, at that, as pieces of coaxial long line there used are a set of coaxially arranged two metal cylinders and a central conductor coaxial to them, wherein the inner surface of the inner cylinder serves as the outer conductor of one of the sections of the coaxial long line, and its outer surface serves as the inner conductor of the other section of the coaxial long line, the excitation of electromagnetic waves in each of the two sections of the coaxial long line is carried out at a fixed frequency, as the informative parameter of each sensitive element, the phase shift of the excited electromagnetic waves and electromagnetic waves propagating along the corresponding section of the coaxial long line and received at the same or opposite end is used, and the value of the measured physical property of the liquid is determined from the difference in phase shift values in two sections of the coaxial long line.EFFECT: high accuracy of measuring physical properties of a dielectric liquid.1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения различных физических свойств (концентрации, смеси веществ, влагосодержания, плотности и др.) жидкостей, находящихся в емкостях (технологических резервуарах, измерительных ячейках и т.п.).The invention relates to measuring technology and can be used for high-precision determination of various physical properties (concentration, mixtures of substances, moisture content, density, etc.) of liquids in containers (process tanks, measuring cells, etc.).

Известно техническое решение (RU 2285913 С1, 20.10.2006), которое содержит описание способа, согласно которому производят измерения физических свойств жидкостей с применением двух независимых измерительных каналов, рабочего и эталонного, с чувствительными элементами (измерительными ячейками) в виде отрезков коаксиальной линии. Они являются резонаторами с колебаниями основного типа ТЕМ и заполняются, соответственно, контролируемой жидкостью и эталонной жидкостью. Для реализации данного способа применяют линии связи этих чувствительных элементов с соответствующими электронными блоками, выходы которых подсоединены к входу функционального преобразователя. Информативным параметром каждого измерительных канала является основная резонансная частота электромагнитных колебаний соответствующего резонатора.A technical solution is known (RU 2285913 C1, October 20, 2006), which contains a description of a method according to which the physical properties of liquids are measured using two independent measuring channels, working and reference, with sensitive elements (measuring cells) in the form of coaxial line segments. They are resonators with oscillations of the main TEM type and are filled, respectively, with a controlled liquid and a reference liquid. To implement this method, communication lines of these sensitive elements with the corresponding electronic units are used, the outputs of which are connected to the input of the functional converter. An informative parameter of each measuring channel is the main resonant frequency of electromagnetic oscillations of the corresponding resonator.

Недостатком этого способа является невысокая точность измерения. Это вызвано тем, что чувствительные элементы (коаксиальные резонаторы) измерительного и эталонного каналов содержат, соответственно, контролируемую и эталонную жидкость, находящиеся в разных внешних условиях, в частности при температуре, которая может быть различной в местах расположения этих чувствительных элементов -коаксиальных резонаторов. Это приводит к снижению точности измерения вследствие разных, зависящих от температуры, изменений электрофизических параметров этих жидкостей и, следовательно, значений информативного параметра - резонансной частоты электромагнитных колебаний. Особенно влияние такого отличия на точность измерения сказывается при определении малых значений содержания какой-либо жидкости в смеси жидкостей (растворе).The disadvantage of this method is the low measurement accuracy. This is due to the fact that the sensitive elements (coaxial resonators) of the measuring and reference channels contain, respectively, the controlled and reference liquid, which are in different external conditions, in particular at a temperature that may be different at the locations of these sensitive elements - coaxial resonators. This leads to a decrease in measurement accuracy due to different temperature-dependent changes in the electrophysical parameters of these liquids and, consequently, the values of the informative parameter - the resonant frequency of electromagnetic oscillations. The influence of such a difference on the measurement accuracy is especially pronounced when determining small values of the content of any liquid in a mixture of liquids (solution).

Известно также техническое решение (RU 2424508 С1, 20.07.2011), которое содержит описание способа, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому способу и принятого в качестве прототипа. Этот способ-прототип заключается в возбуждении электромагнитных колебаний основного типа ТЕМ в двух отрезках коаксиальной длинной линии (коаксиального волновода), заполняемых, соответственно, контролируемой жидкостью и эталонной жидкостью, располагаемых соосно и образованных совокупностью двух соосных металлических цилиндров и соосного с ними центрального проводника, причем внутренняя поверхность внутреннего цилиндра служит наружным проводником одного из отрезков коаксиальной длинной линии, а его наружная поверхность служит внутренним проводником другого отрезка коаксиальной длинной линии. Измеряют резонансные частоты электромагнитных колебаний типа ТЕМ этих отрезков коаксиальной длинной линии с контролируемой жидкостью и эталонной жидкостью и по соотношению (разности) значений измеренных резонансных частот судят об измеряемом физическом свойстве контролируемой жидкости.It is also known technical solution (RU 2424508 C1, 20.07.2011), which contains a description of the method, the technical nature of the closest to the proposed method and adopted as a prototype. This prototype method consists in excitation of electromagnetic oscillations of the main type TEM in two segments of a coaxial long line (coaxial waveguide), filled, respectively, with a controlled liquid and a reference liquid, located coaxially and formed by a combination of two coaxial metal cylinders and a central conductor coaxial with them, moreover the inner surface of the inner cylinder serves as the outer conductor of one of the segments of the coaxial long line, and its outer surface serves as the inner conductor of the other segment of the coaxial long line. The resonant frequencies of electromagnetic oscillations of the TEM type are measured for these segments of a coaxial long line with a controlled liquid and a reference liquid, and the measured physical property of the controlled liquid is judged by the ratio (difference) of the values of the measured resonant frequencies.

Недостатком данного способа измерения является ограниченность его функциональных возможностей, обусловленная организацией в каждом из измерительных каналов, рабочем и эталонном, радиочастотного резонатора на основе отрезка коаксиальной длинной линии и определении резонансной частоты электромагнитных колебаний резонатора. При невысокой добротности таких резонаторов, что может иметь место при контроле жидкостей, являющимися несовершенными диэлектриками, при наличии потерь электромагнитной энергии в проводниках отрезков коаксиальной длинной линии, точность измерения является невысокой из-за невозможности высокоточного измерения резонансных частот таких резонаторов.The disadvantage of this measurement method is the limitation of its functionality, due to the organization in each of the measuring channels, working and reference, a radio frequency resonator based on a segment of a coaxial long line and determining the resonant frequency of the electromagnetic oscillations of the resonator. With a low quality factor of such resonators, which can occur when testing liquids that are imperfect dielectrics, in the presence of electromagnetic energy losses in the conductors of long coaxial line segments, the measurement accuracy is low due to the impossibility of high-precision measurement of the resonant frequencies of such resonators.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения физических свойств диэлектрической жидкости.The technical result of the present invention is to improve the accuracy of measuring the physical properties of the dielectric fluid.

Технический результат достигается тем, что в способе измерения физических свойств диэлектрической жидкости возбуждают электромагнитные волны в каждом из двух отрезков коаксиальной длинной линии, служащих чувствительными элементами измерительных каналов, рабочего и эталонного, и заполняемых, соответственно, контролируемой жидкостью и эталонной жидкостью, измеряют значение информативного параметра каждого из чувствительных элементов, и по отличию этих значений информативного параметра судят о величине измеряемого физического свойства жидкости, при этом в качестве отрезков коаксиальной длинной линии используют совокупность располагаемых соосно двух металлических цилиндров и соосного с ними центрального проводника, причем внутренняя поверхность внутреннего цилиндра служит наружным проводником одного из отрезков коаксиальной длинной линии, а его наружная поверхность служит внутренним проводником другого отрезка коаксиальной длинной линии, возбуждение электромагнитных волн в каждом из двух отрезков коаксиальной длинной линии производят на фиксированной частоте, в качестве информативного параметра каждого чувствительного элемента используют фазовый сдвиг возбуждаемых электромагнитных волн и электромагнитных волн, распространившихся вдоль соответствующего отрезка коаксиальной длинной линии и принятых на том же или противоположном его конце, и о величине измеряемого физического свойства жидкости судят по отличию значений фазового сдвига в двух отрезках коаксиальной длинной линии.The technical result is achieved by the fact that in the method for measuring the physical properties of a dielectric liquid, electromagnetic waves are excited in each of two segments of a coaxial long line that serve as sensitive elements of the measuring channels, working and reference, and filled, respectively, with a controlled liquid and a reference liquid, the value of the informative parameter is measured each of the sensitive elements, and by the difference of these values of the informative parameter, the value of the measured physical property of the liquid is judged, while as segments of the coaxial long line, a set of coaxially located two metal cylinders and a central conductor coaxial with them are used, and the inner surface of the inner cylinder serves as the outer conductor one of the segments of the coaxial long line, and its outer surface serves as an internal conductor of the other segment of the coaxial long line, the excitation of electromagnetic waves in each of the two pieces of a coaxial long line are produced at a fixed frequency, as an informative parameter of each sensitive element, the phase shift of the excited electromagnetic waves and electromagnetic waves propagated along the corresponding segment of the coaxial long line and received at the same or opposite end of it is used, and the value of the measured physical property of the liquid judged by the difference in the values of the phase shift in two segments of the coaxial long line.

На чертеже изображена функциональная схема устройства для реализации способа.The drawing shows a functional diagram of a device for implementing the method.

В схему введены обозначения: 1 и 2 - отрезки коаксиальной длинной линии, 3 и 4 - внутренний и внешний цилиндры, 5 - центральный проводник, 6 и 7 - линии связи, генераторы 8 и 9, направленные ответвители 10, 11, 12 и 13, фазовые детекторы 14 и 15, функциональный преобразователь 16, регистратор 17.The following designations have been introduced into the circuit: 1 and 2 - segments of a coaxial long line, 3 and 4 - inner and outer cylinders, 5 - central conductor, 6 and 7 - communication lines, generators 8 and 9, directional couplers 10, 11, 12 and 13, phase detectors 14 and 15, functional converter 16, recorder 17.

Способ реализуется следующим образом.The method is implemented as follows.

Согласно данному способу измерения физических свойств диэлектрической жидкости, возбуждают электромагнитные волны в каждом из двух отрезков коаксиальной длинной линии, служащих чувствительными элементами измерительных каналов, рабочего и эталонного, и заполняемых, соответственно, контролируемой жидкостью и эталонной жидкостью. Производят измерение значения информативного параметра каждого из чувствительных элементов, и по отличию этих значений информативного параметра в этих двух чувствительных элементах судят о величине измеряемого физического свойства жидкости. В данном способе возбуждение электромагнитных волн в каждом из двух отрезков коаксиальной длинной линии производят на фиксированной частоте, а в качестве информативного параметра каждого чувствительного элемента используют фазовый сдвиг возбуждаемых электромагнитных волн и электромагнитных волн, распространившихся вдоль соответствующего отрезка коаксиальной длинной линии и принятых на том же или противоположном его конце.According to this method for measuring the physical properties of a dielectric liquid, electromagnetic waves are excited in each of two segments of a coaxial long line, which serve as sensitive elements of the measuring channels, working and reference, and filled, respectively, with a controlled liquid and a reference liquid. The value of the informative parameter of each of the sensitive elements is measured, and the difference between these values of the informative parameter in these two sensitive elements is used to judge the value of the measured physical property of the liquid. In this method, the excitation of electromagnetic waves in each of the two segments of the coaxial long line is carried out at a fixed frequency, and as an informative parameter of each sensitive element, the phase shift of the excited electromagnetic waves and electromagnetic waves propagated along the corresponding segment of the coaxial long line and received on the same or its opposite end.

Один из чувствительных элементов - отрезок коаксиальной длинной линии 1 - образован совокупностью внешнего цилиндра 4 и наружной поверхности внутреннего цилиндра 3, а другой чувствительный элемент - отрезок коаксиальной длинной линии 2 - совокупностью центрального проводника 5 и внутренней поверхностью соосного с ним металлического внутреннего цилиндра 3. Пространство между проводниками одного из этих отрезков коаксиальной длинной линии заполняется эталонной жидкостью, имеющей номинальное значение измеряемого физического свойства, а пространство между проводниками другого отрезка коаксиальной длинной линии заполняется контролируемой жидкостью. При этом не имеет принципиального значения, какая из данных жидкостей находится в том или другом чувствительном элементе.One of the sensitive elements - a segment of a coaxial long line 1 - is formed by a combination of an outer cylinder 4 and an outer surface of an inner cylinder 3, and another sensitive element - a segment of a coaxial long line 2 - by a combination of a central conductor 5 and the inner surface of a metal inner cylinder 3 coaxial with it. Space between the conductors of one of these segments of the coaxial long line is filled with a reference liquid having the nominal value of the measured physical property, and the space between the conductors of the other segment of the coaxial long line is filled with the controlled liquid. In this case, it does not matter which of these liquids is in one or another sensitive element.

При заполнении жидкостью пространства между проводниками каждого из отрезков коаксиальной длинной линии 1 и 2 изменяется величина измеряемого информативного параметра - фазового сдвига возбуждаемых электромагнитных волн и электромагнитных волн, распространившихся вдоль соответствующего отрезка коаксиальной длинной линии и принятых на том же или противоположном его конце -в зависимости от значения диэлектрической проницаемости ε и ε0, соответственно, контролируемой и эталонной жидкости. Величины ε(х) и ε0(х0) функционально связаны с соответственно, измеряемым х и номинальным х0 значениями измеряемого физического свойства жидкости. Данные чувствительные элементы (отрезки коаксиальной длинной линии 1 и 2) функционируют независимо друг от друга; их электрические/электромагнитные поля не оказывают взаимовлияния.When the space between the conductors of each of the segments of the coaxial long line 1 and 2 is filled with liquid, the value of the measured informative parameter changes - the phase shift of the excited electromagnetic waves and electromagnetic waves propagated along the corresponding segment of the coaxial long line and received at the same or opposite end, depending on values of permittivity ε and ε 0 , respectively, of the controlled and reference liquid. The values ε(x) and ε 0 (x 0 ) are functionally related to the measured x and nominal x 0 values of the measured physical property of the liquid, respectively. These sensitive elements (coaxial long line segments 1 and 2) operate independently of each other; their electric/electromagnetic fields do not interfere.

Для фазового сдвига Δϕ возбуждаемых на фиксированной частое ƒ в отрезке длинной линии электромагнитных волн и волн, отраженных от противоположного (нижнего) конца отрезка длинной линии и принимаемых на том же конце, где производим возбуждение волны, имеем следующее выражение: (это вытекает, например, из сведений в монографии: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 280 с. С.73-74):For the phase shift Δϕ of electromagnetic waves excited at a fixed frequency ƒ in a segment of a long line and waves reflected from the opposite (lower) end of a segment of a long line and received at the same end where we excite the wave, we have the following expression: (this follows, for example, from information in the monograph: Viktorov V.A., Lunkin B.V., Sovlukov A.S. High-frequency method for measuring non-electric quantities (M.: Nauka. 280 pp. 73-74):

Figure 00000001
Figure 00000001

где ƒ - частота генератора, с - скорость света, l - длина отрезка длинной линии, ε -относительное значение диэлектрической проницаемости жидкости, Δϕ0 - фазовый сдвиг фиксированной величины, обусловленный отражением от нагрузки на конце отрезка длинной линии.where ƒ is the frequency of the generator, c is the speed of light, l is the length of the long line segment, ε is the relative value of the dielectric constant of the liquid, Δϕ 0 is the phase shift of a fixed value due to reflection from the load at the end of the long line segment.

Фазовый сдвиг Δϕ0 обусловлен отражением от нагрузки на конце отрезка длинной линии и имеет следующее значение: Δϕ0=π-2arctg(Xн/W). Для короткозамкнутого на конце отрезка длинной линии имеем Δϕ0=π, для разомкнутого на конце отрезка длинной линии имеем Δϕ0. Здесь ХН - реактивное нагрузочное сопротивление, W - волновое (характеристическое) сопротивление отрезка длинной линии.The phase shift Δϕ 0 is due to reflection from the load at the end of a segment of a long line and has the following meaning: Δϕ 0 =π-2arctg(X n /W). For a short-circuited segment of a long line at the end, we have Δϕ 0 =π, for an open segment of a long line at the end, we have Δϕ 0 . Here X H is the reactive load resistance, W is the wave (characteristic) resistance of a long line segment.

Будем для определенности считать, что каждый из двух отрезков коаксиальной длинной линии 1 и 2 разомкнут на его конце; в этом случае Δϕ0. Будем также для определенности считать, что пространство между проводниками отрезка коаксиальной длинной линии 1 заполняется контролируемой жидкостью с диэлектрической проницаемости ε, а пространство между проводниками отрезка коаксиальной длинной линии 2 заполняется эталонной жидкостью с диэлектрической проницаемости ε0.For definiteness, we will assume that each of the two segments of the coaxial long line 1 and 2 is open at its end; in this case Δϕ 0 . For definiteness, we will also assume that the space between the conductors of a segment of a coaxial long line 1 is filled with a controlled liquid with a permittivity ε, and the space between the conductors of a segment of a coaxial long line 2 is filled with a reference liquid with a dielectric constant ε 0 .

Тогда с учетом соотношения (1) для отрезка коаксиальной длинной линии 1 будем иметь следующее выражение для фазового сдвига Δϕ1 возбуждаемых и принимаемых электромагнитных волн;Then, taking into account relation (1), for a segment of a coaxial long line 1, we will have the following expression for the phase shift Δϕ 1 of the excited and received electromagnetic waves;

Figure 00000002
Figure 00000002

а для отрезка коаксиальной длинной линии 2 - следующее выражение для фазового сдвига Δϕ2 возбуждаемых и принимаемых электромагнитных волн;and for a segment of a coaxial long line 2 - the following expression for the phase shift Δϕ 2 of the excited and received electromagnetic waves;

Figure 00000003
Figure 00000003

В отрезке коаксиальной длинной линии 1 возбуждают электромагнитные волны с применением высокочастотного генератора 8 фиксированной частоты. Отраженные от конца отрезка коаксиальной длинной линии 1 электромагнитные волны, а также прямые волны (часть их мощности) подаются от генератора 8 на фазовый детектор 14. Для этой цели служат направленные ответвители 10 и 11, соответственно, для прямых и отраженных электромагнитных волн. На выходе фазового детектора 14, осуществляющего сравнение фаз прямых и отраженных волн, образуется сигнал, напряжение которого пропорционально разности фаз Δϕ1 этих волн.In a segment of a coaxial long line 1, electromagnetic waves are excited using a high-frequency generator 8 of a fixed frequency. The electromagnetic waves reflected from the end of the segment of the coaxial long line 1, as well as direct waves (part of their power) are fed from the generator 8 to the phase detector 14. For this purpose, directional couplers 10 and 11 are used, respectively, for direct and reflected electromagnetic waves. At the output of the phase detector 14, which compares the phases of direct and reflected waves, a signal is formed, the voltage of which is proportional to the phase difference Δϕ 1 of these waves.

В отрезке коаксиальной длинной линии 2 возбуждают электромагнитные волны с применением высокочастотного генератора 9 фиксированной частоты. Отраженные от конца отрезка коаксиальной длинной линии 2 электромагнитные волны, а также прямые волны (часть их мощности) подаются от генератора 9 на фазовый детектор 15. Для этой цели служат направленные ответвители 12 и 13, соответственно, для прямых и отраженных электромагнитных волн. На выходе фазового детектора 15, осуществляющего сравнение фаз прямых и отраженных волн, образуется сигнал, напряжение которого пропорционально разности фаз Δϕ2 этих волн.In a segment of a coaxial long line 2, electromagnetic waves are excited using a high-frequency generator 9 of a fixed frequency. The electromagnetic waves reflected from the end of the segment of the coaxial long line 2, as well as direct waves (part of their power) are fed from the generator 9 to the phase detector 15. For this purpose, directional couplers 12 and 13 are used, respectively, for direct and reflected electromagnetic waves. At the output of the phase detector 15, which compares the phases of direct and reflected waves, a signal is formed, the voltage of which is proportional to the phase difference Δϕ 2 of these waves.

Направленный ответвитель 12 соединен с помощью проводников линий связи 6 с отрезком коаксиальной длинной линии 1, а направленный ответвитель 13 соединен с помощью проводников линий связи 7 с отрезком коаксиальной длинной линии 2. На выходе фазового детектора 15, осуществляющего сравнение фаз прямых и отраженных волн, образуется сигнал, напряжение которого пропорционально разности фаз Δϕ2 этих волн.Directional coupler 12 is connected by means of conductors of communication lines 6 with a piece of coaxial long line 1, and directional coupler 13 is connected by means of conductors of communication lines 7 to a piece of coaxial long line 2. At the output of phase detector 15, which compares the phases of direct and reflected waves, a a signal whose voltage is proportional to the phase difference Δϕ 2 of these waves.

Выходы фазовых детекторов 14 и 15 подсоединены ко входу функционального преобразователя 16, выходом подключенного ко входу регистратора 17, выходной сигнал которого соответствует значению измеряемого физического свойства жидкости.The outputs of the phase detectors 14 and 15 are connected to the input of the functional converter 16, the output of the recorder 17 connected to the input, the output signal of which corresponds to the value of the measured physical property of the liquid.

Согласно данному способу измерения, в качестве информативного параметра каждого из отрезков коаксиальной длинной линии 1 и 2 может быть использован соответствующие значения Δϕ1 и Δϕ2 фазового сдвига возбуждаемых электромагнитных волн и электромагнитных волн, распространившихся вдоль соответствующего отрезка коаксиальной длинной линии и принятых на противоположном его конце. В этом случае будем иметь:

Figure 00000004
Figure 00000005
О величине измеряемого физического свойства жидкости судят по отличию значений Δϕ1 и Δϕ2 фазового сдвига в двух отрезках коаксиальной длинной линии 1 и 2.According to this measurement method, as an informative parameter of each of the segments of the coaxial long line 1 and 2, the corresponding values Δϕ 1 and Δϕ 2 of the phase shift of the excited electromagnetic waves and electromagnetic waves propagated along the corresponding segment of the coaxial long line and received at its opposite end can be used . In this case we will have:
Figure 00000004
Figure 00000005
The magnitude of the measured physical property of the liquid is judged by the difference in the values Δϕ 1 and Δϕ 2 of the phase shift in two segments of the coaxial long line 1 and 2.

Поскольку отрезки коаксиальной длинной линии 1 и 2 пространственно-совмещены, то они находятся в одинаковых внешних условиях, в частности, при одной и той же температуре. Следовательно, результат совместной функциональной обработки в функциональном преобразователе 16 значений Δϕ1 и Δϕ2 фазового сдвига в двух отрезках коаксиальной длинной линии 1 и 2, соответствующих измеряемому значению х и номинальному значению хо измеряемого физического свойства жидкости, не зависит от температуры, а только от величины измеряемого параметра.Since the segments of the coaxial long line 1 and 2 are spatially combined, they are in the same external conditions, in particular, at the same temperature. Therefore, the result of joint functional processing in the functional converter 16 of the values Δϕ 1 and Δϕ 2 of the phase shift in two segments of the coaxial long line 1 and 2, corresponding to the measured value x and the nominal value ho of the measured physical property of the liquid, does not depend on temperature, but only on the value measured parameter.

Отрезки коаксиальной длинной линии 1 и 2 могут иметь одинаковые начальные (в отсутствие жидкостей) значения Δϕ10 и Δϕ20 фазовых сдвигов Δϕ1 и Δϕ2. При равенстве Δϕ10 и Δϕ20 их разность, определяемая в функциональном преобразователе 16, равна нулю как в отсутствие контролируемой и эталонной жидкостей, так и наличии одной и той же жидкости (т.е. при начальных условиях х=х0) в обоих отрезках коаксиальной длинной линии 1 и 2. В этом случае разность значений фазовых сдвигов Δϕ1 и Δϕ2 соответствует только изменению х-х0 значения измеряемого физического свойства жидкости, что особенно важно при проведении высокоточных измерений малых значений содержания одной жидкости в смеси жидкостей (растворе). Для конструкции на фиг. 1 такая идентичность обеспечивается одинаковой длиной l отрезков коаксиальной длинной линии 1 и 2 и выбором соотношения диаметров проводников 3, 4 и 5 отрезков коаксиальной длинной линии 1 и 2. Для отрезков коаксиальной длинной линии 1 и 2, имеющих одинаковую длину l, соотношение Δϕ10=Δϕ20 обеспечивается при равенстве погонных значений электрических емкостей С1 и С2 отрезков коаксиальной длинной линии 1 и 2 (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1978. С. 125-131). Для конструкции на фиг. 1 электрические емкости С1 и С2 отрезков коаксиальной длинной линии 1 и 2 выражаются следующими соотношениями:

Figure 00000006
Figure 00000007
где ε0 = 1/36π⋅109 Ф/м - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, d1, d2, d3, d4 - соответственно, диаметр внешнего цилиндра, наружный диаметр внутреннего цилиндра, внутренний диаметр внутреннего цилиндра и диаметр центрального проводника. Следовательно, Δϕ10=Δϕ20, если С1=С2, что соответствует следующему соотношению: d1/d2 = d3/d4.Segments of the coaxial long line 1 and 2 may have the same initial (in the absence of liquids) values Δϕ 10 and Δϕ 20 phase shifts Δϕ 1 and Δϕ 2 . When Δϕ 10 and Δϕ 20 are equal, their difference, determined in the functional converter 16, is equal to zero both in the absence of controlled and reference liquids, and in the presence of the same liquid (i.e., under initial conditions x=x 0 ) in both segments coaxial long lines 1 and 2. In this case, the difference in the values of phase shifts Δϕ 1 and Δϕ 2 corresponds only to a change in the x-x 0 value of the measured physical property of the liquid, which is especially important when carrying out high-precision measurements of small values of the content of one liquid in a mixture of liquids (solution) . For the design in Fig. 1, such identity is ensured by the same length l of the long coaxial line segments 1 and 2 and the choice of the ratio of the diameters of the conductors 3, 4 and 5 of the coaxial long line segments 1 and 2. For the coaxial long line segments 1 and 2, having the same length l, the ratio Δϕ 10 = Δϕ 20 is provided when the linear values of the electrical capacitances C 1 and C 2 of the segments of the coaxial long line 1 and 2 are equal (Viktorov V.A., Lunkin B.V., Sovlukov A.S. High-frequency method for measuring non-electric quantities. M .: Nauka. 1978. S. 125-131). For the design in Fig. 1 electric capacitances C 1 and C 2 of the segments of the coaxial long line 1 and 2 are expressed by the following relationships:
Figure 00000006
Figure 00000007
where ε 0 \u003d 1/36π⋅10 9 F / m is the absolute permittivity of vacuum, d 1 , d 2 , d 3 , d 4 are, respectively, the diameter of the outer cylinder, the outer diameter of the inner cylinder, the inner diameter of the inner cylinder and the diameter of the central conductor . Therefore, Δϕ 10 =Δϕ 20 if C 1 =C 2 , which corresponds to the following relationship: d 1 /d 2 = d 3 /d 4 .

Таким образом, данный способ реализуется достаточно просто на основе двух отрезков коаксиальной длинной линии с возбуждением в них электромагнитных волн фиксированной частоты. Он не связан с рассмотрением отрезков коаксиальной длинной линии как резонаторов и проведением измерений их соответствующих значений резонансной частоты электромагнитных колебаний. Способ позволяет с высокой точностью измерять различные физические свойства диэлектрических жидкостей за счет возможности контроля одной и той же области контролируемой жидкости, находящейся при одинаковых внешних условиях (температуре, давлении и др.). Его, в частности, целесообразно применять при наличии различных дестабилизирующих факторов, в частности, изменений температуры, имеющей разное значение в разных областях емкости с контролируемой жидкостью.Thus, this method is implemented quite simply on the basis of two segments of a coaxial long line with the excitation of electromagnetic waves of a fixed frequency in them. It is not connected with considering segments of a coaxial long line as resonators and measuring their respective values of the resonant frequency of electromagnetic oscillations. The method allows to measure various physical properties of dielectric liquids with high accuracy due to the possibility of monitoring the same area of the controlled liquid under the same external conditions (temperature, pressure, etc.). In particular, it is advisable to use it in the presence of various destabilizing factors, in particular, temperature changes, which have different values in different areas of the container with a controlled liquid.

Claims (1)

Способ измерения физических свойств диэлектрической жидкости, при котором возбуждают электромагнитные волны в каждом из двух отрезков коаксиальной длинной линии, служащих чувствительными элементами измерительных каналов, рабочего и эталонного, и заполняемых соответственно контролируемой жидкостью и эталонной жидкостью, измеряют значение информативного параметра каждого из чувствительных элементов и по отличию этих значений информативного параметра судят о величине измеряемого физического свойства жидкости, при этом в качестве отрезков коаксиальной длинной линии используют совокупность располагаемых соосно двух металлических цилиндров и соосного с ними центрального проводника, причем внутренняя поверхность внутреннего цилиндра служит наружным проводником одного из отрезков коаксиальной длинной линии, а его наружная поверхность служит внутренним проводником другого отрезка коаксиальной длинной линии, отличающийся тем, что возбуждение электромагнитных волн в каждом из двух отрезков коаксиальной длинной линии производят на фиксированной частоте, в качестве информативного параметра каждого чувствительного элемента используют фазовый сдвиг возбуждаемых электромагнитных волн и электромагнитных волн, распространившихся вдоль соответствующего отрезка коаксиальной длинной линии и принятых на том же или противоположном его конце, и о величине измеряемого физического свойства жидкости судят по отличию значений фазового сдвига в двух отрезках коаксиальной длинной линии.A method for measuring the physical properties of a dielectric liquid, in which electromagnetic waves are excited in each of two segments of a coaxial long line that serve as sensitive elements of the measuring channels, working and reference, and filled respectively with a controlled liquid and a reference liquid, the value of the informative parameter of each of the sensitive elements is measured and the difference between these values of the informative parameter is judged on the value of the measured physical property of the liquid, while as segments of the coaxial long line, a set of coaxially located two metal cylinders and a central conductor coaxial with them is used, and the inner surface of the inner cylinder serves as the outer conductor of one of the segments of the coaxial long line, and its outer surface serves as an internal conductor of another segment of the coaxial long line, characterized in that the excitation of electromagnetic waves in each of the two segments of the coaxial long line is produced at a fixed frequency, as an informative parameter of each sensitive element, the phase shift of the excited electromagnetic waves and electromagnetic waves propagated along the corresponding segment of the coaxial long line and received at the same or opposite end is used, and the magnitude of the measured physical property of the liquid is judged by the difference in the values of the phase shift in two segments of a coaxial long line.
RU2021111317A 2021-04-21 2021-04-21 Method of measuring physical properties of dielectric liquid RU2767585C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021111317A RU2767585C1 (en) 2021-04-21 2021-04-21 Method of measuring physical properties of dielectric liquid

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021111317A RU2767585C1 (en) 2021-04-21 2021-04-21 Method of measuring physical properties of dielectric liquid

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2767585C1 true RU2767585C1 (en) 2022-03-17

Family

ID=80737330

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021111317A RU2767585C1 (en) 2021-04-21 2021-04-21 Method of measuring physical properties of dielectric liquid

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2767585C1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5233306A (en) * 1991-02-13 1993-08-03 The Board Of Regents Of The University Of Wisconsin System Method and apparatus for measuring the permittivity of materials
RU2332659C1 (en) * 2006-12-14 2008-08-27 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Мурманский государственный технический университет Method of measurement of fluid physical properties
RU2424508C1 (en) * 2010-04-09 2011-07-20 Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН Method of measuring physical properties of liquid
RU2434229C1 (en) * 2010-06-29 2011-11-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет технологий и управления" Apparatus for measuring physical properties of liquids
DE102016206362A1 (en) * 2016-04-15 2017-10-19 Conti Temic Microelectronic Gmbh MEASURING DEVICE AND METHOD FOR MEASURING THE DIELECTRIC PERMITTIVENESS OF A DIELECTRIC MEDIUM
CN110907704A (en) * 2018-09-14 2020-03-24 天津大学青岛海洋技术研究院 Method for extracting unique values of microwave complex dielectric constant and complex permeability of material

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5233306A (en) * 1991-02-13 1993-08-03 The Board Of Regents Of The University Of Wisconsin System Method and apparatus for measuring the permittivity of materials
RU2332659C1 (en) * 2006-12-14 2008-08-27 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Мурманский государственный технический университет Method of measurement of fluid physical properties
RU2424508C1 (en) * 2010-04-09 2011-07-20 Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН Method of measuring physical properties of liquid
RU2434229C1 (en) * 2010-06-29 2011-11-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет технологий и управления" Apparatus for measuring physical properties of liquids
DE102016206362A1 (en) * 2016-04-15 2017-10-19 Conti Temic Microelectronic Gmbh MEASURING DEVICE AND METHOD FOR MEASURING THE DIELECTRIC PERMITTIVENESS OF A DIELECTRIC MEDIUM
CN110907704A (en) * 2018-09-14 2020-03-24 天津大学青岛海洋技术研究院 Method for extracting unique values of microwave complex dielectric constant and complex permeability of material

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107490727B (en) A kind of dielectric constant measurement method of composite microwave sensor and measured object
RU2626409C1 (en) Method of measuring physical properties of liquid
RU2473889C1 (en) Method of measuring physical quantity
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
RU2767585C1 (en) Method of measuring physical properties of dielectric liquid
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
RU2424508C1 (en) Method of measuring physical properties of liquid
RU2426099C1 (en) Device for determination of concentration of substances mixture
RU2536164C1 (en) Device to detect concentration of mixture of substances
RU2534747C1 (en) Measuring device of physical properties of liquid contained in tank
RU2752555C1 (en) Method for determining position of interface between two liquids in tank
RU2536184C1 (en) Concentration meter
RU2551671C1 (en) Device for measurement of physical properties of liquid
RU2661349C1 (en) Dielectric fluid moisture content determination method
RU2762058C1 (en) Device for measuring the physical properties of a dielectric liquid
RU2761954C1 (en) Method for measuring the physical properties of a dielectric liquid
RU2434229C1 (en) Apparatus for measuring physical properties of liquids
RU2786526C2 (en) Method for measurement of physical quantity
RU2786527C1 (en) Method for measurement of physical properties of liquid
RU2760641C1 (en) Fluid physical properties metre
RU2626458C1 (en) Method of measuring physical properties of liquid
RU2659569C1 (en) Dielectric fluid moisture content measurement method
RU2415409C1 (en) Method of determining substance physical properties