RU2786526C2 - Method for measurement of physical quantity - Google Patents

Method for measurement of physical quantity Download PDF

Info

Publication number
RU2786526C2
RU2786526C2 RU2021115165A RU2021115165A RU2786526C2 RU 2786526 C2 RU2786526 C2 RU 2786526C2 RU 2021115165 A RU2021115165 A RU 2021115165A RU 2021115165 A RU2021115165 A RU 2021115165A RU 2786526 C2 RU2786526 C2 RU 2786526C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
segment
value
long line
liquid
frequency
Prior art date
Application number
RU2021115165A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2021115165A (en
Inventor
Александр Сергеевич Совлуков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук
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
Publication of RU2021115165A publication Critical patent/RU2021115165A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2786526C2 publication Critical patent/RU2786526C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: electrical engineering.
SUBSTANCE: invention relates to the field of electrical engineering, namely to a waveguide resonator for measurement of dielectric liquid permeability. A nominal value of tension of an electrical field of a standing electromagnetic wave, in particular its minimum, is first determined in a fixed section of a segment of a long line with a reference value of a magnitude of dielectric liquid permeability, after which, during measurements, a frequency of excited electromagnetic waves is changed until tension of the electrical field of the standing electromagnetic wave reaches the nominal value, in particular its minimum, with the measured value of dielectric liquid permeability in this fixed section of the segment of the long line, and the value of measured dielectric liquid permeability is judged by the value of this frequency.
EFFECT: increase in the accuracy of measurements.
1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения значений диэлектрической проницаемости различных жидкостей.The invention relates to measuring technology and can be used for high-precision determination of the values of the dielectric constant of various liquids.

Известны различные способы и устройства для измерения электрофизических параметров (диэлектрической проницаемости или (и) тангенса угла диэлектрических потерь) жидкостей с применением радиоволновых ВЧ и СВЧ резонаторов, содержащих контролируемую жидкость (монографии: Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. М.: Физматгиз. 1963. 404 с. С. 37-144; Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат. 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 электрофизических свойств 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 электрофизическими свойствами (монография: Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. М.: Физматгиз. 1963. 404 с. С. 258-268).Various methods and devices are known for measuring the electrical parameters (permittivity or (and) dielectric loss tangent) of liquids using radio wave RF and microwave resonators containing a controlled liquid (monographs: Brandt A.A. Investigation of dielectrics at microwave frequencies. M .: Fizmatgiz. 1963. 404 pp. 37-144; Viktorov V. A., Lunkin B. V., Sovlukov A. S. Radio wave measurements of parameters of technological processes. Moscow: Energoatomizdat. 1989. 208 pp. 168- 177). The disadvantage of such methods and measuring devices that implement these methods is their limited scope, due to the impossibility of monitoring small changes in the electrophysical properties of liquids due to the low accuracy of measuring the corresponding small changes in informative parameters (resonant frequency, resonator quality factor, etc.). To enable such measurements, two-channel measuring circuits with independent measuring and reference channels are used. In the reference channel, the sensitive element contains a liquid with known electrophysical properties (monograph: Brandt A.A. Investigation of dielectrics at microwave frequencies. M.: Fizmatgiz. 1963. 404 pp. 258-268).

Известно также техническое решение (RU 2285913, 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. Данный способ характеризуется сложностью его реализации, обусловленной необходимостью применения двух независимых измерительных каналов. В каждом из них необходимо наличие чувствительного элемента, генератора электромагнитных колебаний и приемного устройства для определения величины информативного параметра. Кроме того, необходимо наличие блока для функциональной обработки выходных сигналов этих (измерительного и опорного) каналов. Необходимость в данных элементах двухканальных измерительных устройств для реализации этого способа существенно усложняет его реализацию. Кроме того, этот способ характеризуется и невысокой точностью измерения вследствие возможных изменений схемных параметров, нестабильности указанных элементов измерительных схем (двух генераторов, приемных устройств). Это приводит к снижению точности измерения.A technical solution is also known (RU 2285913, 10/20/2006), 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. This method is characterized by the complexity of its implementation, due to the need to use two independent measuring channels. Each of them requires the presence of a sensitive element, a generator of electromagnetic oscillations and a receiving device to determine the value of the informative parameter. In addition, it is necessary to have a block for functional processing of the output signals of these (measuring and reference) channels. The need for these elements of two-channel measuring devices for the implementation of this method significantly complicates its implementation. In addition, this method is also characterized by a low measurement accuracy due to possible changes in the circuit parameters, instability of the indicated elements of the measuring circuits (two generators, receivers). This leads to a decrease in measurement accuracy.

Известно также техническое решение (RU 2473889, 27.01.2013), которое содержит описание способа, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому способу и принятого в качестве прототипа. Этот способ-прототип заключается в возбуждении электромагнитных волн в волноводном резонаторе, размещении контролируемого объекта в электромагнитном поле одного из торцевых участков волноводного резонатора, размещении идентичного объекта с эталонным значением измеряемой физической величины в электромагнитном поле другого торцевого участка и определении одной из характеристик стоячей электромагнитной волны в волноводном резонаторе. В качестве волноводного резонатора возможно использование отрезка длинной линии, а в качестве его торцевых участков - идентичных измерительных ячеек.It is also known technical solution (RU 2473889, 27.01.2013), 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 exciting electromagnetic waves in a waveguide resonator, placing a controlled object in the electromagnetic field of one of the end sections of the waveguide resonator, placing an identical object with a reference value of the measured physical quantity in the electromagnetic field of another end section and determining one of the characteristics of a standing electromagnetic wave in waveguide resonator. As a waveguide resonator, it is possible to use a segment of a long line, and as its end sections - identical measuring cells.

Недостатком этого способа является невысокая точность измерения, обусловленная проведением амплитудных измерений при измерении напряженности поля стоячей волны в каком-либо сечении вдоль отрезка длинной линии, и проведением измерений резонансной частоты электромагнитных колебаний резонатора при его организации на основе отрезка длинной линии (при невысокой добротности такого резонатора, что может иметь место при контроле объектов, в частности жидкостей, являющимися несовершенными диэлектриками, при наличии потерь электромагнитной энергии в проводниках отрезка длинной линии, точность измерения является невысокой из-за невозможности высокоточного измерения резонансной частоты такого резонатора).The disadvantage of this method is the low measurement accuracy due to amplitude measurements when measuring the field strength of a standing wave in any section along a segment of a long line, and measurements of the resonant frequency of electromagnetic oscillations of the resonator when it is organized on the basis of a segment of a long line (with a low quality factor of such a resonator , which can take place when testing objects, in particular liquids that are imperfect dielectrics, in the presence of electromagnetic energy losses in the conductors of a long line segment, the measurement accuracy is low due to the impossibility of high-precision measurement of the resonant frequency of such a resonator).

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения.The technical result of the present invention is to improve the measurement accuracy.

Технический результат достигается тем, что в способе измерения диэлектрической проницаемости жидкости, заключающийся в возбуждении электромагнитных волн в волноводном резонаторе в виде отрезка длинной линии, размещении контролируемого объекта в электромагнитном поле одного из торцевых участков отрезка длинной линии, размещении идентичного объекта с эталонным значением диэлектрической проницаемости в электромагнитном поле другого торцевого участка отрезка длинной линии и определении одной из характеристик стоячей волны в отрезке длинной линии, предварительно определяют номинальное значение напряженности электрического поля стоячей электромагнитной волны, в частности минимум, в фиксированном сечении отрезка длинной линии при эталонном значении величины диэлектрической проницаемости жидкости, в процессе измерения изменяют частоту возбуждаемых электромагнитных волн до достижения напряженностью электрического поля стоячей электромагнитной волны номинального значения, в частности минимума, при измеряемом значении диэлектрической проницаемости жидкости в этом фиксированном сечении отрезка длинной линии и о значении измеряемой диэлектрической проницаемости жидкости судят по величине этой частоты.The technical result is achieved by the fact that in the method for measuring the dielectric constant of a liquid, which consists in excitation of electromagnetic waves in a waveguide resonator in the form of a segment of a long line, placement of a controlled object in the electromagnetic field of one of the end sections of a segment of a long line, placement of an identical object with a reference value of the permittivity in electromagnetic field of another end section of a long line segment and determining one of the characteristics of a standing wave in a long line segment, the nominal value of the electric field strength of a standing electromagnetic wave is preliminarily determined, in particular the minimum, in a fixed section of a long line segment at a reference value of the dielectric constant of the liquid, in during the measurement process, the frequency of the excited electromagnetic waves is changed until the electric field strength of the standing electromagnetic wave reaches the nominal value, in particular the minimum, n With the measured value of the dielectric constant of the liquid in this fixed section of a segment of a long line, and the value of the measured dielectric constant of the liquid is judged by the magnitude of this frequency.

Предлагаемый способ поясняется чертежами.The proposed method is illustrated by drawings.

На фиг. 1 показан отрезок длинной линии с размещенными на его концах идентичными чувствительными элементами. На фиг. 2 показан отрезок длинной линии с электрическими емкостями на его концах. На фиг. 3 приведен пример устройства для реализации способа измерения.In FIG. 1 shows a segment of a long line with identical sensitive elements placed at its ends. In FIG. 2 shows a segment of a long line with electrical capacitances at its ends. In FIG. 3 shows an example of a device for implementing the measurement method.

На чертежах показаны отрезок длинной линии 1, чувствительные элементы 2 и 3, генератор 4, элементы связи 5 и 6, детектор 7, блок перестройки частоты генератора 8, индикатор 9, эталонная жидкость 10, контролируемая жидкость 11.The drawings show a segment of a long line 1, sensitive elements 2 and 3, a generator 4, coupling elements 5 and 6, a detector 7, a frequency tuning unit of the generator 8, an indicator 9, a reference liquid 10, a controlled liquid 11.

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

На фиг. 1 показан отрезок длинной линии 1 с размещенными на его концах идентичными чувствительными элементами 2 и 3. В их электромагнитном поле помещены объекты с, соответственно, эталонным и текущим (измеряемым) значениями измеряемой диэлектрической проницаемости жидкости. Каждому значению ε измеряемой диэлектрической проницаемости жидкости соответствует значение сопротивления Zн(ε) чувствительного элемента, в общем случае комплексного сопротивления.In FIG. 1 shows a segment of a long line 1 with identical sensitive elements 2 and 3 placed at its ends. Objects with, respectively, the reference and current (measured) values of the measured dielectric constant of the liquid are placed in their electromagnetic field. Each value ε of the measured dielectric constant of the liquid corresponds to the value of the resistance Z n (ε) of the sensitive element, in the general case of complex resistance.

При возбуждении с помощью генератора 4 фиксированной частоты электромагнитных волн в отрезке длинной линии 1, к концам которого подсоединены нагрузочные сопротивления - идентичные чувствительные элементы 2 и 3, в отрезке длинной линии 1 имеет место интерференция возбуждаемых и отраженных от чувствительных элементов электромагнитных волн. Она характеризуется режимом стоячих (точнее, смешанных) смешанных волн. Напряженность электрического поля стоячей электромагнитной волны в какой-либо точке вдоль отрезка длинной линии 1 является функцией нагрузочных сопротивлений отрезка длинной линии 1, т.е. значения ε измеряемой диэлектрической проницаемости жидкости. При отклонении этого значения от его некоторого номинального значения ε0 измеряемой диэлектрической проницаемости жидкости, напряженность электрического поля стоячей электромагнитной волны в указанной точке также изменяется.When excited using a generator 4 of a fixed frequency of electromagnetic waves in a segment of a long line 1, to the ends of which load resistances are connected - identical sensitive elements 2 and 3, in a segment of a long line 1 interference of electromagnetic waves excited and reflected from the sensitive elements takes place. It is characterized by the regime of standing (more precisely, mixed) mixed waves. The electric field strength of a standing electromagnetic wave at some point along the long line segment 1 is a function of the load resistances of the long line segment 1, i.e. the value ε of the measured permittivity of the liquid. When this value deviates from its certain nominal value ε 0 of the measured dielectric permittivity of the liquid, the electric field strength of the standing electromagnetic wave at the specified point also changes.

Для определения значения ε измеряемой диэлектрической проницаемости жидкости осуществляют, согласно предлагаемому способу, изменение фиксированной частоты ƒ0 возбуждаемой электромагнитной волны на величину Δƒ до значения ƒ=ƒ0+Δƒ. При фиксированной частоте ƒ генератора восстанавливается номинальное значение, в частности минимум, напряженности электрического поля стоячей электромагнитной волны в сечении отрезка длинной линии с координатой z1, в котором подсоединен детектор. Следовательно, изменение частоты ƒ0 возбуждаемой волны на величину Δƒ до значения ƒ=ƒ0+Δƒ приводит к восстановлению номинального значения, в частностиTo determine the value ε of the measured dielectric constant of the liquid, according to the proposed method, the fixed frequency ƒ 0 of the excited electromagnetic wave is changed by the value Δƒ to the value ƒ=ƒ 0 +Δƒ. At a fixed frequency ƒ of the generator, the nominal value, in particular the minimum, of the electric field strength of a standing electromagnetic wave is restored in the section of a long line segment with a coordinate z 1 in which the detector is connected. Therefore, changing the frequency ƒ 0 of the excited wave by the value Δƒ to the value ƒ=ƒ 0 +Δƒ leads to the restoration of the nominal value, in particular

минимума, напряженности электрического поля стоячей электромагнитной волны (напряжения U) в указанном сечении с координатой z1 вдоль отрезка длинной линии. Частота Δƒ является мерой отклонения значения измеряемой диэлектрической проницаемости жидкости ε от его номинального значения ε0, и, значит, частота ƒ=ƒ0+Δƒ служит мерой значения ε самой измеряемой диэлектрической проницаемости жидкости.minimum, the strength of the electric field of a standing electromagnetic wave (voltage U) in the specified section with the coordinate z 1 along a segment of a long line. The frequency Δƒ is a measure of the deviation of the value of the measured dielectric constant of the liquid ε from its nominal value ε 0 , and, therefore, the frequency ƒ=ƒ 0 +Δƒ serves as a measure of the value ε of the measured dielectric constant of the liquid itself.

В реализующем предлагаемый способ устройстве от генератора 4 фиксированной частоты электромагнитные колебания поступают в отрезок длинной линии 1 с помощью элемента связи 5. К противоположным концам отрезка длинной линии 1 подсоединены чувствительные элементы 2 и 3. Их эквивалентные электрические схемы могут содержать, в зависимости от электрофизических параметров контролируемого объекта, электрическую емкость, индуктивность или их совокупность; может быть также подсоединен дополнительно резистор, характеризуя наличие диэлектрических потерь в контролируемом объекте.In the device that implements the proposed method, from a generator 4 of a fixed frequency, electromagnetic oscillations enter a segment of a long line 1 using a coupling element 5. Sensing elements 2 and 3 are connected to the opposite ends of a segment of a long line 1. Sensing elements 2 and 3 are connected to them. Their equivalent electrical circuits may contain, depending on the electrophysical parameters controlled object, electric capacitance, inductance or their combination; an additional resistor can also be connected, characterizing the presence of dielectric losses in the controlled object.

С изменением значения измеряемой диэлектрической проницаемости жидкости происходит изменение, в частности, емкостной составляющей нагрузочного сопротивления, что предопределяет ее конструкцию, т.е. конструкцию как чувствительного элемента 3, так и чувствительного элемента 2. Чувствительными элементами 2 и 3 могут являться, например, коаксиальные конденсаторы (измерительные ячейки), заполняемые эталонной и контролируемой жидкостями.With a change in the value of the measured dielectric constant of a liquid, a change occurs, in particular, in the capacitive component of the load resistance, which predetermines its design, i.e. the design of both the sensing element 3 and the sensing element 2. The sensing elements 2 and 3 can be, for example, coaxial capacitors (measuring cells) filled with reference and controlled liquids.

Если контролируемая жидкость является несовершенным диэлектриком или электропроводным веществом, то при покрытии внутренних проводников указанных коаксиальных конденсаторов - чувствительных элементов 2 и 3 - диэлектрической оболочкой контролируемая жидкость в каждом из них характеризуется эффективной диэлектрической проницаемостью двухслойного диэлектрика - жидкости и диэлектрической оболочки (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука, 1989. 280 с. С. 125-131). При этом такое нагрузочное сопротивление становится емкостным. Величина измеряемой диэлектрической проницаемости жидкости определяется с учетом известных значений параметров такого чувствительного элемента (геометрических параметров конденсатора и диэлектрической проницаемости оболочки).If the controlled liquid is an imperfect dielectric or an electrically conductive substance, then when the internal conductors of these coaxial capacitors - sensitive elements 2 and 3 - are coated with a dielectric shell, the controlled fluid in each of them is characterized by the effective dielectric constant of a two-layer dielectric - a liquid and a dielectric shell (Viktorov V.A. , Lunkin B.V., Sovlukov A.S. High-frequency method for measuring non-electric quantities. Moscow: Nauka, 1989. 280 pp. 125-131). In this case, such a load resistance becomes capacitive. The value of the measured dielectric constant of the liquid is determined taking into account the known values of the parameters of such a sensitive element (the geometrical parameters of the capacitor and the dielectric constant of the shell).

В некотором сечении с координатой z1 вдоль отрезка длинной линии 1 к нему с помощью элемента связи 6 подсоединен детектор 7, с выхода которого продетектированный сигнал поступает в блок перестройки частоты генератора 8, подключенный выходом к генератору 4. В зависимости от амплитуды продетектированного сигнала, определяемой значением напряженности электрического поля стоячей электромагнитной волны в указанном сечении с координатой z1, изменяется частота ƒ0 генератора 4 на величину Δƒ. При измерениях предварительно выбором частоты генератора ƒ0 или (и) длины отрезка длинной линии устанавливают номинальное значение, в частности минимум, напряженности электрического поля стоячей электромагнитной волны в указанном сечении с координатой z1 при некотором номинальном значении ε0 определяемой диэлектрической проницаемости жидкости. Возбуждение в отрезке длинной линии электромагнитной волны на фиксированной частоте ƒ, измененной на величину Δƒ относительно частоты ƒ0, приводит к восстановлению в указанном сечении с координатой z1 номинального значения, в частности минимума, электрического поля стоячей электромагнитной волны. По величине ƒ, фиксируемой индикатором 9, подключенным к генератору 4, можно судить о величине измеряемой диэлектрической проницаемости жидкости х. Диапазон рабочих частот, снимаемых с генератора 4, может составлять значения в пределах 1÷100 МГц.In a certain section with coordinate z 1 along a segment of a long line 1, a detector 7 is connected to it using a coupling element 6, from the output of which the detected signal enters the frequency tuning unit of the generator 8, connected by the output to the generator 4. Depending on the amplitude of the detected signal, determined by the value of the electric field strength of a standing electromagnetic wave in the specified section with the coordinate z 1 changes the frequency ƒ 0 of the generator 4 by the value Δƒ. When measuring, preselecting the frequency of the generator ƒ 0 or (and) the length of a segment of a long line, the nominal value, in particular the minimum, of the electric field strength of a standing electromagnetic wave in the specified section with the coordinate z 1 is set at a certain nominal value ε 0 of the determined dielectric constant of the liquid. Excitation in a segment of a long line of an electromagnetic wave at a fixed frequency ƒ, changed by the value Δƒ relative to the frequency ƒ 0 , leads to the restoration in the specified section with the coordinate z 1 of the nominal value, in particular the minimum, of the electric field of a standing electromagnetic wave. By the value of ƒ, fixed by the indicator 9 connected to the generator 4, one can judge the value of the measured dielectric constant of the liquid x. The range of operating frequencies taken from the generator 4 may be within 1÷100 MHz.

Отрезок длинной линии 1 может иметь на его концах чувствительные элементы 2 и 3 - нагрузочные сопротивления Zн0) и Zн(ε). В качестве оконечных нагрузочных сопротивлений отрезка длинной линии 1 могут быть применены различные измерительные ячейки. Если на концах отрезка длинной линии расположены измерительные ячейки - емкостные чувствительные элементы с электрической емкостью С, то Zн=1/j2πƒC.A segment of a long line 1 may have sensing elements 2 and 3 at its ends - load resistances Z n0 ) and Z n (ε). Various measuring cells can be used as terminating load resistances of a long line segment 1. If at the ends of a segment of a long line there are measuring cells - capacitive sensing elements with an electric capacitance C, then Z n \u003d 1 / j2πƒC.

Емкостные чувствительные элементы наиболее часто применимы на практике, поскольку контролируемыми веществами являются в большинстве случаев диэлектрические вещества, в частности жидкости. При этом измеряемым параметром является диэлектрическая проницаемость ε контролируемой жидкости в измерительной ячейке. Величина ε может являться, в свою очередь, функцией физической величины х, например, влагосодержания W жидкости: ε=ε(x)=ε(W).Capacitive sensing elements are most often used in practice, since the controlled substances are in most cases dielectric substances, in particular liquids. In this case, the measured parameter is the permittivity ε of the controlled liquid in the measuring cell. The value ε can be, in turn, a function of the physical quantity x, for example, the moisture content W of the liquid: ε=ε(x)=ε(W).

На фиг. 2 приведен в качестве примера отрезок однородной длинной линии 1, к концам которого подсоединены идентичные чувствительные элементы 2 и 3 - измерительные ячейки в виде электрической емкости с, соответственно, эталонным C(ε0)=ε0C0 и текущим C(ε)=εC0 значениями, где С0 - электрическая емкость незаполненной измерительные ячейки. Такие емкостные измерительные ячейки могут быть выполнены, в частности, в виде коаксиальных конденсаторов, пространство между проводниками которых заполняется соответствующей (эталонной или контролируемой) жидкостью.In FIG. 2 shows as an example a segment of a homogeneous long line 1, to the ends of which identical sensitive elements 2 and 3 are connected - measuring cells in the form of an electric capacitance with, respectively, the reference C(ε 0 )=ε 0 C 0 and the current C(ε)= εC 0 values, where C 0 is the electrical capacitance of the empty measuring cell. Such capacitive measuring cells can be made, in particular, in the form of coaxial capacitors, the space between the conductors of which is filled with an appropriate (reference or controlled) liquid.

Подключение к концу отрезка длинной линии емкостного сопротивления С эквивалентно удлинению разомкнутого на конце отрезка длинной линии на величину

Figure 00000001
(Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М: Наука. 1989. 280 с. С. 10-21). Здесь Z0 - волновое (характеристическое) сопротивление отрезка длинной линии, с - скорость света.Connecting to the end of a segment of a long line of capacitive resistance C is equivalent to lengthening the open segment of a long line at the end by
Figure 00000001
(Viktorov V.A., Lunkin B.V., Sovlukov A.S. High-frequency method for measuring non-electric quantities. M: Nauka. 1989. 280 pp. 10-21). Here Z 0 is the wave (characteristic) resistance of a segment of a long line, c is the speed of light.

Поэтому подключение к одному концу отрезка длинной линии 1, разомкнутого на обоих концах, электрической емкости C(ε), а к его другому концу - электрической емкости C(ε0), эквивалентно удлинению этого отрезка длинной линии 1 на одном конце на величину

Figure 00000002
, а на его другом конце - на величину
Figure 00000003
. При этом эквивалентная длина такого отрезка длинной линии длиной l есть
Figure 00000004
. Наличие этих разных емкостей С(ε0) и С(ε) на концах отрезка длинной линии приводит к изменению распределения напряженности электрического поля стоячей электромагнитной волны вдоль отрезка длинной линии в зависимости от значения ε жидкости в измерительной ячейке с контролируемой жидкостью.Therefore, connecting to one end of a segment of a long line 1, open at both ends, the electric capacitance C (ε), and to its other end - the electric capacitance C (ε 0 ), is equivalent to lengthening this segment of a long line 1 at one end by
Figure 00000002
, and at its other end - by the value
Figure 00000003
. In this case, the equivalent length of such a segment of a long line of length l is
Figure 00000004
. The presence of these different capacitances С(ε 0 ) and С(ε) at the ends of a long line segment leads to a change in the distribution of the electric field strength of a standing electromagnetic wave along a long line segment depending on the value of liquid ε in the measuring cell with a controlled liquid.

В полуволновом отрезке длинной линии, разомкнутом на обоих концах или замкнутом накоротко на обоих концах, возможно существование электромагнитных колебаний, соответствующих длинам волн λ=2l=c/ƒ. При наличии на одном конце такого отрезка длинной линии электрической емкости C(ε0), а на другом конце - емкости C(ε), что эквивалентно удлинению этого отрезка длинной линии 1 на одном конце на величину

Figure 00000005
, а на его другом конце - на величину
Figure 00000006
, соответственно, данное соотношение для λ можно записать так:
Figure 00000007
Отсюда вытекает соотношение, выражающее причинно-следственную связь - зависимость измеряемой частоты ƒ(ε) от величины lC(ε), которая, в свою очередь, является функцией величины ε:In a half-wave segment of a long line, open at both ends or short-circuited at both ends, the existence of electromagnetic oscillations corresponding to wavelengths λ=2l=c/ƒ is possible. If there is a long line of electric capacitance C(ε 0 ) at one end of such a segment, and capacitance C(ε) at the other end, which is equivalent to lengthening this segment of long line 1 at one end by
Figure 00000005
, and at its other end - by the value
Figure 00000006
, respectively, this relation for λ can be written as follows:
Figure 00000007
This implies a relation that expresses a causal relationship - the dependence of the measured frequency ƒ(ε) on the value l C (ε), which, in turn, is a function of the value ε:

Figure 00000008
Figure 00000008

Значение ε может зависеть от измеряемой величины х, которой, в частности, может являться влагосодержание W контролируемой жидкости.The value of ε may depend on the measured value x, which, in particular, may be the moisture content W of the controlled liquid.

Если

Figure 00000009
, то тогда соотношение (1) принимает видIf
Figure 00000009
, then relation (1) takes the form

Figure 00000010
Figure 00000010

При измерениях предварительно выбором частоты генератора ƒ0 (или длины l отрезка длинной линии) устанавливают номинальное значение, в частности минимум, напряженности электрического поля стоячей электромагнитной волны (напряжения U) в сечении с координатой z1 при некотором номинальном значении ε0 определяемой диэлектрической проницаемости жидкости.When measuring, preselecting the frequency of the generator ƒ 0 (or the length l of a segment of a long line) sets the nominal value, in particular the minimum, of the electric field strength of a standing electromagnetic wave (voltage U) in the cross section with coordinate z 1 at a certain nominal value ε 0 of the determined dielectric constant of the liquid .

Частота ƒ(ε) изменена относительно частоты ƒ0 на величину Δƒ:The frequency ƒ(ε) is changed relative to the frequency ƒ 0 by the value Δƒ:

Figure 00000011
Figure 00000011

Возбуждение в отрезке длинной линии электромагнитной волны на фиксированной частоте ƒ, измененной на величину Δƒ относительно частоты ƒ0, приводит к восстановлению в указанном сечении с координатой z1 номинального значения, в частности минимума, напряженности электрического поля стоячей электромагнитной волны (напряжения U). По величине ƒ, фиксируемой индикатором, подключенным к генератору, можно судить о величине измеряемой диэлектрической проницаемости жидкости.The excitation of an electromagnetic wave in a segment of a long line at a fixed frequency ƒ, changed by the value Δƒ relative to the frequency ƒ 0 , leads to the restoration in the specified section with coordinate z 1 of the nominal value, in particular the minimum, of the electric field strength of a standing electromagnetic wave (voltage U). By the value of ƒ, fixed by the indicator connected to the generator, one can judge the value of the measured dielectric constant of the liquid.

На фиг. 3 показана схема устройства для измерения диэлектрической проницаемости жидкости с применением отрезка длинной линии 1, имеющего на обоих концах идентичные чувствительные элементы 2 и 3 - части длины отрезка однородной длинной линии. Они погружены на одинаковую глубину в эталонную жидкость 10 с диэлектрической проницаемостью ε0 и контролируемую жидкость 11 с диэлектрической проницаемостью ε, соответственно. Часть длины отрезка однородной длинной линии, имеющую длину lC и погруженную в контролируемую жидкость 11, можно представить как эквивалентное подключение на конце отрезка длинной линии, разомкнутого на этом конце, сосредоточенной электрической емкости Сн(ε). Для части длины отрезка однородной длинной линии, имеющей длину

Figure 00000012
и погруженной в эталонную жидкость 10, будем иметь соответствующее значение электрической емкости Сн00). Наличие разных емкостей Сн(ε) и Сн00) на концах отрезка длинной линии приводит к изменению распределения напряженности электрического поля стоячей электромагнитной волны вдоль полуволнового отрезка длинной линии в зависимости от значения ε.In FIG. 3 shows a diagram of a device for measuring the dielectric constant of a liquid using a segment of a long line 1, which has identical sensitive elements 2 and 3 at both ends - parts of the length of a segment of a homogeneous long line. They are immersed to the same depth in the reference liquid 10 with dielectric constant ε 0 and controlled liquid 11 with dielectric constant ε, respectively. Part of the length of a segment of a homogeneous long line, having a length l C and immersed in a controlled liquid 11, can be represented as an equivalent connection at the end of a segment of a long line, open at this end, of a concentrated electric capacitance C n (ε). For a part of the length of a segment of a uniform long line having a length
Figure 00000012
and immersed in the reference liquid 10, we will have the corresponding value of the electrical capacitance C n00 ). The presence of different capacities C n (ε) and C 00 ) at the ends of a segment of a long line leads to a change in the distribution of the electric field strength of a standing electromagnetic wave along the half-wave segment of a long line, depending on the value of ε.

Таким образом, данный способ, характеризуемый проведением высокоточных измерений значения частоты (а не значения амплитуды при измерении напряженности поля стоячей волны в каком-либо сечении вдоль отрезка длинной линии или значения резонансной частоты электромагнитных колебаний резонатора при его организации на основе отрезка длинной линии), позволяет достаточно просто и с высокой точностью измерять значения диэлектрической проницаемости различных жидкостей.Thus, this method, characterized by high-precision measurements of the frequency value (and not the amplitude value when measuring the field strength of a standing wave in any section along a segment of a long line or the value of the resonant frequency of electromagnetic oscillations of the resonator when it is organized on the basis of a segment of a long line), allows it is quite simple and with high accuracy to measure the values of the permittivity of various liquids.

Claims (1)

Способ измерения диэлектрической проницаемости жидкости, заключающийся в возбуждении электромагнитных волн в волноводном резонаторе в виде отрезка длинной линии, размещении контролируемого объекта в электромагнитном поле одного из торцевых участков отрезка длинной линии, размещении идентичного объекта с эталонным значением диэлектрической проницаемости в электромагнитном поле другого торцевого участка отрезка длинной линии и определении одной из характеристик стоячей волны в отрезке длинной линии, отличающийся тем, что предварительно определяют номинальное значение напряженности электрического поля стоячей электромагнитной волны, в частности минимум, в фиксированном сечении отрезка длинной линии при эталонном значении величины диэлектрической проницаемости жидкости, в процессе измерения изменяют частоту возбуждаемых электромагнитных волн до достижения напряженностью электрического поля стоячей электромагнитной волны номинального значения, в частности минимума, при измеряемом значении диэлектрической проницаемости жидкости в этом фиксированном сечении отрезка длинной линии и о значении измеряемой диэлектрической проницаемости жидкости судят по величине этой частоты.A method for measuring the dielectric constant of a liquid, which consists in excitation of electromagnetic waves in a waveguide resonator in the form of a segment of a long line, placement of a controlled object in the electromagnetic field of one of the end sections of a segment of a long line, placement of an identical object with a reference value of the permittivity in the electromagnetic field of another end section of a segment of a long line line and determining one of the characteristics of a standing wave in a segment of a long line, characterized in that the nominal value of the electric field strength of a standing electromagnetic wave is preliminarily determined, in particular the minimum, in a fixed section of a segment of a long line at a reference value of the dielectric constant of the liquid, during the measurement process they change the frequency of the excited electromagnetic waves until the strength of the electric field of the standing electromagnetic wave reaches the nominal value, in particular the minimum, at the measured value d and the electrical permittivity of the liquid in this fixed section of a segment of a long line and the value of the measured permittivity of the liquid is judged by the magnitude of this frequency.
RU2021115165A 2021-05-27 Method for measurement of physical quantity RU2786526C2 (en)

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2021115165A RU2021115165A (en) 2022-11-28
RU2786526C2 true RU2786526C2 (en) 2022-12-21

Family

ID=

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1741033A1 (en) * 1990-02-20 1992-06-15 Институт проблем управления Method for measuring physical parameters of object
US6281688B1 (en) * 1998-06-25 2001-08-28 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Transmission line reflectometer using frequency-modulated continuous wave
JP2011080882A (en) * 2009-10-07 2011-04-21 National Institute Of Information & Communication Technology Liquid agent for simulation of human body dielectric constant
RU2473889C1 (en) * 2011-09-05 2013-01-27 Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН Method of measuring physical quantity
WO2016043630A1 (en) * 2014-09-18 2016-03-24 Общество С Ограниченной Ответственностью "Нефтяные И Газовые Измерительные Технологий" Method for in-flow measurement of proportion of water in mixture with hydrocarbon liquid, and device for implementing same
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
CN111337519A (en) * 2020-03-20 2020-06-26 绵阳人众仁科技有限公司 Method for measuring physical parameters in film production

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1741033A1 (en) * 1990-02-20 1992-06-15 Институт проблем управления Method for measuring physical parameters of object
US6281688B1 (en) * 1998-06-25 2001-08-28 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Transmission line reflectometer using frequency-modulated continuous wave
JP2011080882A (en) * 2009-10-07 2011-04-21 National Institute Of Information & Communication Technology Liquid agent for simulation of human body dielectric constant
RU2473889C1 (en) * 2011-09-05 2013-01-27 Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН Method of measuring physical quantity
WO2016043630A1 (en) * 2014-09-18 2016-03-24 Общество С Ограниченной Ответственностью "Нефтяные И Газовые Измерительные Технологий" Method for in-flow measurement of proportion of water in mixture with hydrocarbon liquid, and device for implementing same
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
CN111337519A (en) * 2020-03-20 2020-06-26 绵阳人众仁科技有限公司 Method for measuring physical parameters in film production

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7728607B2 (en) Electrical probe
RU2626409C1 (en) Method of measuring physical properties of liquid
US20100148804A1 (en) Device and method for determining at least one parameter of a medium
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
RU2786526C2 (en) Method for measurement of physical quantity
RU2706455C1 (en) Method of measuring interface position of two substances in a reservoir
RU2473052C1 (en) Device for measuring level of dielectric liquid in container
RU2698575C1 (en) Method of measuring interface position of two substances in a reservoir
RU2534747C1 (en) Measuring device of physical properties of liquid contained in tank
RU2536164C1 (en) Device to detect concentration of mixture of substances
US4358731A (en) Apparatus and method for moisture measurement
RU2752555C1 (en) Method for determining position of interface between two liquids in tank
RU2434229C1 (en) Apparatus for measuring physical properties of liquids
RU2536184C1 (en) Concentration meter
RU2620780C1 (en) Method for determining interface position between components of three-component medium in container
RU2767585C1 (en) Method of measuring physical properties of dielectric liquid
RU2762058C1 (en) Device for measuring the physical properties of a dielectric liquid
RU2760641C1 (en) Fluid physical properties metre
RU2761954C1 (en) Method for measuring the physical properties of a dielectric liquid
RU2786527C1 (en) Method for measurement of physical properties of liquid
RU2757759C1 (en) Method for measuring the position of the interface between two dielectric media in a container
RU2775643C1 (en) Method for measuring the level of dielectric liquid in a container
RU2762069C1 (en) Device for measuring the level of dielectric liquid in a container
RU2794447C1 (en) Device for measuring level of dielectric liquid in tank