RU84122U1 - Устройство для определения частотных характеристик многофазных сред - Google Patents

Abstract

Устройство для определения частотных характеристик многофазных сред, содержащее генераторы низкой фиксированной и высокой перестраиваемой частот, автоматический переключатель, последовательно включенные диэлькометрические ячейки, первые последовательно включенные низкочастотный усилитель, фазочувствительный выпрямитель и фильтр нижних частот, вход автоматического переключателя соединен с выходом генератора высокой перестраиваемой частоты, выход автоматического переключателя соединен с последовательно включенными диэлькометрическими ячейками, вторые последовательно включенные низкочастотный усилитель, фазочувствительный выпрямитель и регистратор, блок частотной развертки, соединенный с управляющим входом генератора высокой перестраиваемой частоты и другим входом регистратора, источник стабилизированного напряжения, дифференциальный усилитель, второй фильтр нижних частот, управляемый делитель напряжения и два синхронных детектора, один вход первого из них соединен со средней точкой последовательно включенных диэлькометрических ячеек, другой вход с выходом автоматического переключателя, одним и другим входами второго синхронного детектора, выход первого синхронного детектора соединен с входом первого низкочастотного усилителя, выход второго синхронного детектора соединен через управляемый делитель напряжения с входом второго низкочастотного усилителя, первый вход дифференциального усилителя соединен с источником стабилизированного напряжения, выход дифференциального усилителя через второй фильтр нижних частот соединен с управляющим входом управляемого делителя напряжени

Description

Изобретение относится к области контроля состава жидких многофазных сред и может быть использовано для контроля концентрации веществ в искомой фазе в различных видах эмульсий, коллоидах и суспензиях, используемых в химической, пищевой, рыбной, целлюлозно-бумажной и других отраслях промышленности.

Известно устройство для измерения частотных характеристик эмульсии [авт.св. СССР №989436, кл. G01N 27/22, опубл. 1981 г.], содержащее генераторы низкой фиксированной и высокой перестраиваемой частотой, управляемый делитель напряжения, автоматический переключатель, последовательно включенные диэлькометрические ячейки, первые последовательно включенные низкочастотный усилитель, фазочувствительный выпрямитель и фильтр нижних частот, выход которого соединен с управляющим входом управляемого делителя напряжения, включенного между выходом генератора низкой фиксированной частоты и одним из входов автоматического переключателя, другой вход которого соединен с выходом генератора перестраиваемой высокой частоты, выход автоматического переключателя соединен с последовательно включенными диэлектрическими ячейками, вторые последовательно включенные низкочастотный усилитель, фазочувствительный выпрямитель и регистратор, блок частотной развертки, соединенный с управляющим входом генератора высокой перестраиваемой частоты и другим входом регистратора.

Средняя точка последовательно включенных диэлькометрических ячеек соединена через первый выпрямитель с входом первого низкочастотного усилителя. Выход автоматического переключателя соединен через второй выпрямитель с входом второго низкочастотного усилителя. Управляющие входы автоматического переключателя, первого и второго фазочувствительных выпрямителей соединены с выходами низкочастотного коммутационного генератора.

В известном устройстве возникают большие погрешности измерения, вызываемые влиянием диэлектрических потерь, которые в широком диапазоне частот имеют несколько локальных экстремумов из-за различных видов поляризации и релаксационных процессов в контролируемой жидкости. Кроме того, сквозная проводимость контролируемой жидкости имеет частотную дисперсию, которая по своему характеру не совпадает с частотной дисперсной диэлектрической проницаемостью контролируемой жидкости.

Поскольку известное устройство регистрирует частотную характеристику полного сопротивления диэлектрической ячейки, то измерение частотной дисперсии диэлектрической проницаемости жидкости осуществляется с большими погрешностями.

Известно также устройство для определения частотных характеристик многофазных жидкостей [RU 94032562 A1 G01N 27/22, опубл. 1996.07.10], содержащее генераторы низкой фиксированной и высокой перестраиваемой частот, управляемый делитель напряжения, автоматический переключатель, последовательно включенные диэлькометрические ячейки, первые последовательно включенные низкочастотный усилитель, фазочувствительный выпрямитель и фильтр нижних частот, выход которого соединен с управляющим входом управляемого делителя напряжения, включенного между выходом генератора низкой фиксированной частоты и одним из входов автоматического переключателя, другой вход которого соединен с выходом генератора высокой перестраиваемой частоты, выход автоматического переключателя соединен с последовательно включенными

диэлькометрическими ячейками, вторые последовательно включенные низкочастотный усилитель, фазочувствительный выпрямитель и регистратор, блок частотной развертки, соединенный с управляющим входом генератора высокой перестраиваемой частоты и другим входом регистратора, делитель частоты, источник стабилизированного напряжения, дифференциальный усилитель, второй фильтр нижних частот, второй управляемый делитель напряжения и два синхронных детектора, один вход первого из них соединен со средней точкой последовательно включенных диалькометрических ячеек, другой вход с выходом автоматического переключателя, одним и другим входами второго синхронного детектора, выход первого синхронного детектора соединен с входом первого низкочастотного усилителя, выход второго синхронного детектора соединен через второй управляемый делитель напряжения с входом второго низкочастотного усилителя и одним из входов дифференциального усилителя, другой вход которого соединен с источником стабилизированного напряжения, выход дифференциального усилителя через второй фильтр нижних частот соединен с управляющим входом второго управляемого делителя напряжения, управляющие входы автоматического переключателя, первого и второго фазочувствительных выпрямителей подключены к выходу делителя частоты, входом, соединенным с выходом генератора низкой фиксированной частоты.

Это устройство позволяет определять частотные характеристики вещественной составляющей комплексной диэлектрической проницаемости многофазной жидкости независимо от частотной дисперсии электропроводности и диэлектрических потерь контролируемой среды и обеспечивает повышение точности контроля состава многофазных жидкостей, в частности концентрации веществ искомой фазы в различных эмульсиях и суспензиях по форме частотной характеристики, однако в контуре регулирования первого управляемого делителя для выравнивания постоянной составляющей низкочастотной части зондирующего сигнала используется принцип амплитудных преобразований, который обладает низкой точностью и

помехоустойчивостью, а также в контуре регулирования второго управляемого делителя при выделении постоянной составляющей, недостаточно фильтра низкой частоты из-за погрешностей второго делителя напряжения.

Техническим эффектом предлагаемого устройства для определения частотных характеристик многофазных сред является повышение точности, помехоустойчивости и надежности определения частотной характеристики многофазной жидкой среды.

Технический эффект достигается тем, что устройство для определения частотных характеристик многофазных сред, содержащее генераторы низкой фиксированной и высокой перестраиваемой частот, автоматический переключатель, последовательно включенные диэлькометрические ячейки, первые последовательно включенные низкочастотный усилитель, фазочувствительный выпрямитель и фильтр нижних частот, вход автоматического переключателя соединен с выходом генератора высокой перестраиваемой частоты, выход автоматического переключателя соединен с последовательно включенными диэлькометрическими ячейками, вторые последовательно включенные низкочастотный усилитель, фазочувствительный выпрямитель и регистратор, блок частотной развертки, соединенный с управляющим входом генератора высокой перестраиваемой частоты и другим входом регистратора, источник стабилизированного напряжения, дифференциальный усилитель, второй фильтр нижних частот, управляемый делитель напряжения и два синхронных детектора, один вход первого из них соединен со средней точкой последовательно включенных диэлькометрических ячеек, другой вход с выходом автоматического переключателя, одним и другим входам второго синхронного детектора, выход первого синхронного детектора соединен с входом первого низкочастотного усилителя, выход второго синхронного детектора соединен через управляемый делитель напряжения с входом второго низкочастотного усилителя, первый вход дифференциального усилителя соединен с источником стабилизированного напряжения, выход дифференциального усилителя через второй фильтр нижних частот соединен с

управляющим входом управляемого делителя напряжения, снабжено управляемым делителем частоты с регулируемой скважностью, а управляющие входы автоматического переключателя первого и второго фазочувствительных выпрямителей подключены к выходу делителя частоты с регулируемой скважностью, первым управляющим входом соединенным с выходом генератора низкой фиксированной частоты, выход первого фильтра нижних частот соединен со вторым управляющим входом управляемого делителя частоты с регулируемой скважностью, а выход управляемого делителя напряжения подключен к входу второго низкочастотного усилителя, выход которого соединен с вторым входом дифференциального усилителя.

Введение управляемого делителя частоты с регулируемой скважностью позволяет обеспечить качественное регулирование постоянной составляющей низкочастотной части зондирующего сигнала, что существенно повышает точность, помехоустойчивость и надежность процесса измерения частотных характеристик.

На чертеже (фиг.1) приведено предлагаемое устройство для определения частотных характеристик многофазных сред.

Устройство содержит генератор 1 низкой фиксированной частоты, генератор 2 высокой перестраиваемой частоты, автоматический переключатель 3, диэлькометрические ячейки 4 и 5, первый синхронный детектор 6, низкочастотный усилитель 7, фазочувствительный выпрямитель 8, фильтр нижних частот 9, вторые синхронный детектор 10, управляемый делитель напряжении 11, низкочастотный усилитель 12, фазочувствительный выпрямитель 13, фильтр нижних частот 14, дифференциальный усилитель 15, источник стабилизированного напряжения 16, регистратор 17, блок частотной развертки 18 и управляемый делитель частоты с регулируемой скважностью 19.

Входы автоматического переключателя 3 соединены с выходом генератора 2 непосредственно, а выходом генератора 1 через управляемый делитель частоты с регулируемой скважностью 19. Выход автоматического переключателя 3 соединен с последовательно включенными

диэлькометрическими ячейками 4 и 5, к средней точке соединения которых подключены первые синхронный детектор 6, низкочастотный усилитель 7, фазочувствительный выпрямитель 8 и фильтр нижних частот 9. К выходу автоматического переключателя 3 также подключены вторые синхронный детектор 10, управляемый делитель напряжения 11, низкочастотный усилитель 12, фазочувствительный выпрямитель 13. Управляющий вход второго управляемого делителя напряжении 11 соединен через второй фильтр нижних частот 14 с выходом дифференциального усилителя 15, один вход которого соединен с выходом источника 16 стабилизированного напряжения, а другой вход с выходом никочастотного усилителя 12. Блок частотной развертки 18 соединен с управляющим входом генератора 2 высокой перестраиваемой частоты и одним из входов регистратора 17, другой вход которого соединен с выходом фазочувствительного выпрямителя 13. Управляющие входы автоматического переключателя 3, фазочувствительных выпрямителей 8 и 13 подключены к выходу делителя частоты с регулируемой скважностью 19, входом соединенным с выходом генератора 1 низкой фиксированной частоты. Устройство работает следующим образом. Опорное напряжение фиксированной частоты генератора 1 низкой фиксированной частоты и зондирующее напряжение регулируемой частоты генератора 2 высокой перестраиваемой частоты поступает на автоматический переключатель 3. При этом зондирующее напряжение V₂ генератора 2 поступает непосредственно, а опорное напряжение генератора 1 через управляемый делитель частоты с регулируемой скважностью 19.

На выходе автоматического переключателя 3 формируется чередующиеся пакеты напряжения фиксированной частоты ω₁ и регулируемой частоты ω₂, которые поочередно воздействуют на последовательно включенные диэлькометрические ячейки 4 и 5.

Измерительная проточная ячейка 4 заполнена контролируемой жидкостью с веществом искомой фазы, например, водной эмульсией с неизвестной концентрацией масла или жира в виде взвешенных шариков.

Опорная ячейка 5 заполнена исходной жидкостью, которая служит для приготовления эмульсии, например, очищенной водой. Размеры ячеек 4 и 5 выбирают из условия превышения емкости опорной ячейки в 50-100 раз над емкостью измерительной проточной ячейки 4. Частоту коммутации автоматического переключателя 3 выбирают в 50-100 раз меньше низкой фиксированной частоты ω₁ которая соответствует минимальному значению высокой регулируемой частоты

Пакеты падений опорного и зондирующего напряжений на ячейке 5 поступают на один вход первого синхронного детектора 6, на другой вход которого поступают пакеты этих напряжений непосредственно с выхода автоматического переключателя 3.

Один полупериод коммутации под действием пакета опорного напряжения через ячейку 5 протекает низкочастотный ток, параметры которого определяются в основном проводимостями измерительной ячейки 4:

где g₁ активная проводимость ячейки 4, обусловленная сквозной проводимостью и диэлектрическими потерями в контролируемой жидкости;

b₁ - реактивная проводимость ячейки 4, пропорциональная диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости, т.е. вещественной составляющей комплексной диэлектрической проницаемости.

угол электрических потерь;

коэффициент, учитывающий непостоянство амплитуды опорного напряжения;

коэффициент передачи диэлькометрической ячейки с учетом скважности зондируемого сигнала.

В другой полупериод коммутации под действием зондирующего напряжения через ячейку 5 протекает высокочастотный ток

где g₂ и b₂ активная и реактивная составляющие проводимости ячейки 5 на частоте ω₂

- коэффициент, учитывающий изменения амплитуды зондирующего напряжения при регулировке его частоты;

- угол электрических потерь на частоте ω₂.

Падения напряжений на ячейке 5 от низкочастотного и высокочастотного токов обратно пропорциональны ее реактивной проводимости

где b₃ и b₄ реактивная проводимость ячейки 5 на частотах ω₁ и ω₂ соответственно.

В синхронном детекторе 6 происходит перемножение входных напряжений. В результате перемножения в каждый полупериод коммутации напряжений одинаковых частот на выходе детектора 6 образуются постоянные составляющие напряжения. При перемножении пакетов опорного напряжения частоты ω₁ образуется постоянная составляющая напряжения

а при перемножении пакетов зондирующего напряжения частоты постоянная составляющая напряжения

где S крутизна преобразования синхронного детектора.

Реактивная проводимость ячейки зависит от частоты приложенного напряжения и значения диэлектрической проницаемости жидкости на этой частоте. Поэтому реактивные проводимости ячеек на низкой и высокой частоте различны и для измерительной ячейки 4 могут быть представлены в виде:

где диэлектрическая проницаемость контролируемой жидкости на низкой фиксированной частотой ω₁;

- частотная дисперсия диэлектрической проницаемости

контролируемой жидкости, пропорциональная концентрации вещества искомой фазы;

K₁ коэффициент пропорциональности, зависящий от геометрических размеров ячейки 4.

Так как опорная ячейка 5 заполнена однородной однофазной жидкостью, то частотная дисперсия ее диэлектрической проницаемости вплоть до сверхвысоких частот мала и ею можно принебречь. Поэтому реактивная проводимость ячейки 5 зависит только от частоты напряжения:

где диэлектрическая проницаемость исходной жидкости или другой многофазной жидкости;

К₂ коэффициент пропорциональности, зависящий от геометрических размеров ячейки 5.

С учетом реактивных проводимостей ячеек постоянные составляющие на выходе синхронного детектора 6 принимают значения

где - относительная частотная дисперсия контролируемой среды.

При неравенстве постоянных составляющих U₄ и U₅ в выходном напряжении синхронного детектора 6 образуется переменная составляющая частоты коммутации Ω, пропорциональная полуразности напряжений U₄ и U₅.

Переменная составляющая напряжения усиливается низкочастотным усилителем 3 и выпрямляется фазочувствительным выпрямителем 8. Выпрямленное напряжение через фильтр нижних частот 9 воздействует на управляющий вход управляемого делителя частоты с регулируемой скважностью 19.

В результате изменения скважности Q управляемого делителя частоты с регулируемой скважностью 19 изменяется ширина импульса опорного напряжения частоты ω₁. Направление изменения скважности Q выбрано в сторону автоматического уравнивания постоянных составляющих U₄ и U₅ выходного напряжения синхронного детектора 6. В установившемся режиме достигается равенство напряжений U₄ и U₅.

Из равенства напряжений следует:

Полученное равенство будет достигаться при любых соотношениях постоянных составляющих U₄ и U₅, с более высокой точностью, чем с помощью схемы управляемого делителя напряжения, так как параметр Q влияет одновременно на обе части полученного равенства, а управляемый делитель напряжения только на одну левую часть.

Параллельно пакеты опорного напряжения с выхода управляемого делителя частоты с регулируемой скважностью 19 и пакеты зондирующего напряжения генератора непосредственно воздействуют на входы второго синхронного детектора 10. В результате перемножения пакетов напряжений одинаковых частот на его выходе поочередно образуются импульсы из постоянных составляющих напряжений:

Импульсы напряжений U₁ и U₈ проходят через управляемый делитель напряжения 11, который одинаково ослабляет оба напряжения:

где коэффициент передачи управляемого делителя напряжения 11.

Постоянная составляющая последовательности импульсов, пропорциональная полусумме напряжений импульсов, воздействует на один вход дифференциального усилителя 15, на другой вход которого воздействует постоянное опорное напряжение V₀ const от источника 16 стабилизированных напряжений. Усиленное разностное напряжение с выхода дифференциального усилителя 15, через второй фильтр нижних частот 14 воздействует на управляющий вход управляемого делителя напряжения 11, это возможно благодаря введению связи второго низкочастотного усилителя 12 с входом дифференциального усилителя 15, что значительно повышает точность достижения баланса напряжений.

Процесс автоматического регулирования длится до тех пор, пока постоянная составляющая последовательности импульсов U₉ и U₁₀ не уравняется с опорным напряжением U₀. В результате установления равенства напряжений имеем

Переменная составляющая последовательности импульсов U₈ и U₉ пропорциональная полуразности напряжения импульсов

усиливается низкочастотным усилителем 12 и выпрямляется фазо-чувствительным выпрямителем 13.

окончательно получим

Для многофазных жидкостей типа белково-липидных эмульсий относительная частотная дисперсия в диапазоне частот до 5-10 МГц не превышает (5 10)%

Поэтому вторым членом в знаменателе полученного выражения можно пренебречь. Тогда выходное напряжение

где К_o=U_o/2-постоянный коэффициент пропорциональности.

Выходное напряжение U₁₂ воздействует на один вход регистратора 18, а развертывающее напряжение от блока 19 изменяет частоту генератора 2.

В результате на экране индикатора или диаграммной ленте регистратора 17 воспроизводится частотная характеристика контролируемой жидкости ячейки 4 в заданном разверткой блока 18 частотном диапазоне. При этом

частотная характеристика отображает только частотную дисперсию вещественной составляющей комплексной диэлектрической проницаемости двухфазной, а в общем случае и многофазной жидкости.

Независимо от частотных изменений диэлектрических потерь и частотной дисперсии электропроводности фазы, т.е. дисперсии мнимой составляющей комплексной диэлектрической проницаемости.

Как видно из полученного выражения регистрируемое напряжение U₁₂ не зависит ни от температурной и временной нестабильности геометрических размеров диэлькометрических ячеек, ни от непостоянства амплитуд опорного и зондирующего напряжений.

На результат измерения не влияет так же непостоянство крутизны S преобразования синхронных детекторов 6, 10 и коэффициентов передачи управляемого делителя напряжения 11.

Предложенное устройство использовано для определения частотных характеристик белково-липидных эмульсий молок лосося в диапазоне зондирующих частот 0,2-10 МГц при частоте опорного напряжения 200 КГц и частоте коммутации 50 Гц с целью контроля жирности и концентрации белковых и ферментных компонент.

Разрешающая способность к относительной дисперсии диэлектрической проницаемости жидкости составила %, погрешность регистрации относительной частотной дисперсии не превышает (0.5-1)% в указанном диапазоне зондирующих частот.

Claims (1)

1. Устройство для определения частотных характеристик многофазных сред, содержащее генераторы низкой фиксированной и высокой перестраиваемой частот, автоматический переключатель, последовательно включенные диэлькометрические ячейки, первые последовательно включенные низкочастотный усилитель, фазочувствительный выпрямитель и фильтр нижних частот, вход автоматического переключателя соединен с выходом генератора высокой перестраиваемой частоты, выход автоматического переключателя соединен с последовательно включенными диэлькометрическими ячейками, вторые последовательно включенные низкочастотный усилитель, фазочувствительный выпрямитель и регистратор, блок частотной развертки, соединенный с управляющим входом генератора высокой перестраиваемой частоты и другим входом регистратора, источник стабилизированного напряжения, дифференциальный усилитель, второй фильтр нижних частот, управляемый делитель напряжения и два синхронных детектора, один вход первого из них соединен со средней точкой последовательно включенных диэлькометрических ячеек, другой вход с выходом автоматического переключателя, одним и другим входами второго синхронного детектора, выход первого синхронного детектора соединен с входом первого низкочастотного усилителя, выход второго синхронного детектора соединен через управляемый делитель напряжения с входом второго низкочастотного усилителя, первый вход дифференциального усилителя соединен с источником стабилизированного напряжения, выход дифференциального усилителя через второй фильтр нижних частот соединен с управляющим входом управляемого делителя напряжения, отличающееся тем, что оно снабжено управляемым делителем частоты с регулируемой скважностью, а управляющие входы автоматического переключателя первого и второго фазочувствительных выпрямителей подключены к выходу делителя частоты с регулируемой скважностью, первым управляющим входом соединенным с выходом генератора низкой фиксированной частоты, выход первого фильтра нижних частот соединен со вторым управляющим входом управляемого делителя частоты с регулируемой скважностью, а выход управляемого делителя напряжения подключен к входу второго низкочастотного усилителя, выход которого соединен с вторым входом дифференциального усилителя.