WO2016043629A1 - Способ и устройство измерения физических параметров материала - Google Patents

Способ и устройство измерения физических параметров материала Download PDF

Info

Publication number
WO2016043629A1
WO2016043629A1 PCT/RU2015/000580 RU2015000580W WO2016043629A1 WO 2016043629 A1 WO2016043629 A1 WO 2016043629A1 RU 2015000580 W RU2015000580 W RU 2015000580W WO 2016043629 A1 WO2016043629 A1 WO 2016043629A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
input
primary
frequency
amplitude detector
transmission line
Prior art date
Application number
PCT/RU2015/000580
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Олег Креонидович СИЗИКОВ
Владимир Валериевич КОННОВ
Original Assignee
Олег Креонидович СИЗИКОВ
Владимир Валериевич КОННОВ
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
Priority claimed from RU2014137865/28A external-priority patent/RU2576552C1/ru
Priority claimed from RU2015116780/28A external-priority patent/RU2597809C1/ru
Application filed by Олег Креонидович СИЗИКОВ, Владимир Валериевич КОННОВ filed Critical Олег Креонидович СИЗИКОВ
Priority to DE212015000221.7U priority Critical patent/DE212015000221U1/de
Publication of WO2016043629A1 publication Critical patent/WO2016043629A1/ru

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/284—Electromagnetic waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/80—Arrangements for signal processing
    • G01F23/802—Particular electronic circuits for digital processing equipment
    • G01F23/804—Particular electronic circuits for digital processing equipment containing circuits handling parameters other than liquid level
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/048—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance for determining moisture content of the material

Definitions

  • the technical solution relates to measuring technique and is intended to measure the physical parameters of a material, for example, the moisture content of a material, its dielectric constant, the concentration of a mixture of substances, the density of the material, as well as the level of the material in the tank, vessel or other container.
  • RF patent N ° 2337328 Known measuring device and method for measuring the physical parameters of the material (RF patent N ° 2337328), for example, the density of the material or the level of the material in the tank, based on the control of attenuation of radioactive radiation,
  • a method of measuring the physical parameters of a material for example, material moisture, its dielectric constant, concentration of a mixture of substances, material density, as well as the level of material in a tank, vessel or other container (publication WO 2015/041568 A1) by means of a primary transducer made in the form of a long line segment and immersed in a controlled material, according to which a harmonic probe signal is input to the input of the primary transducer Vatel and determining a frequency of at least one of the harmonics of the probing signal, characterized in that at the harmonic frequency input impedance of the primary converter reaches a minimum, the resistance of the primary device is determined by measuring the voltage of the probe signal in the input circuit of the primary
  • the transducer by means of an amplitude detector, the probe signal is generated by a generator, which is tuned in the frequency range, the measured value of the harmonic frequency is compared with the harmonic frequency when filling the primary
  • This method is implemented in a device for measuring the physical parameters of the material (publication WO 2014/123450 A 1), containing a primary transducer made in the form of a long line segment with at least two conductors, the space between which is intended to fill the controlled material, an amplitude detector, a probe generator a signal having a control input and made on the basis of a frequency-tunable harmonic signal former, a measurement and control device to which the control input is connected the generator and the output of the amplitude detector, and the output of the generator is connected to the input of the primary converter through a resistor, and the input of the amplitude detector is connected to the input of the primary converter.
  • the known method and device cannot be used at extreme temperatures.
  • the operating temperature range of the known device is determined by the permissible operating temperature range of the semiconductor diodes included in the amplitude detector. These diodes are connected
  • the operating temperature range of semiconductor diodes on the basis of which an amplitude detector is performed, usually does not go beyond -60 ... +150 ° ⁇ . Accordingly, the known technical solution only in this temperature range provides measurements. To control, in particular, steam-water mixtures with temperatures above 150 ° C or cryogenic liquids, the use of a known technical solution is not possible without a sharp deterioration in accuracy.
  • the converter is at its input. This also limits functional
  • the level of material in the known solution is determined by converting the measured resulting dielectric constant of the medium to the ratio of the volumes of the media with different dielectric constants. those. air and controlled material. Therefore, the found level value depends on
  • the objective of the proposed technical solution is to increase the accuracy of measuring the physical parameters of a material having an extreme temperature, expand the functionality of a device for measuring the physical parameters of a material, and simplify its design.
  • a primary transducer made in the form of a long line segment with at least two conductors, the space between which is intended to fill the said controlled material
  • a probe signal generator having a control input and based on a frequency tunable harmonic signal former
  • the first additional segment of the transmission line is connected between the input of the primary Converter and the input of the amplitude detector
  • a second additional segment of the transmission line is connected between the output of the generator and the input of the primary Converter
  • the inputs of the first and second additional segments of the transmission line are parallel connected to the input of the primary Converter
  • the first additional segment of the transmission line is made consistent with the amplitude detector.
  • the proposed device described above in General categories, may have (but do not necessarily have) the features of the preferred forms of execution, listed below. These features may provide additional
  • the physical parameters of the material can be the dielectric constant of the material, the moisture of the material, the concentration of the mixture of substances, density, level or amount of material.
  • the proposed device is suitable, in particular, for monitoring materials in extreme conditions, for example, for measuring the composition of steam-water mixtures - controlling the degree of dryness of steam, measuring the level of cryogenic liquids or materials with high temperatures, including measuring the level of molten metal.
  • the coordination of the first additional segment of the transmission line from the side of the amplitude detector can be achieved by connecting
  • the output of the conductors at the input of the primary transducer can be made through a bushing designed to seal the primary
  • the conductors of the first and second additional segments of the transmission line and the conductors of the primary converter can be made of metal that is resistant to extreme temperatures, and the connection of these conductors can be made welded.
  • the conductors of the primary converter at its end can be made closed, for which a short-circuit jumper can be connected to the conductors of the primary converter at its end.
  • a resistor with a resistance equal to the wave impedance of a long line in the medium of the controlled material can be connected to the conductors of the primary converter at its end.
  • the device may further comprise a second amplitude detector, wherein the input of said detector is connected to the output of the generator, and the output of said detector is connected to a measurement and control device.
  • the probe signal generator can be made in the form of a synthesizer, which generates the probe signal frequency using a digital code specified by the measurement and control device, and the measurement and control device may include a processor that calculates the physical parameters of the material from the measured frequency of the probe signal, at which the minimum input
  • the measurement and control device may comprise an analog unit configured to tune the frequency of the generator to achieve a minimum input resistance of the primary converter, and may also comprise a unit for measuring the indicated frequency.
  • a harmonic sounding signal is generated by a generator, which
  • the harmonic frequency can be determined by reaching the minimum voltage measured by the amplitude detector, or by achieving the minimum ratio of the voltage to voltage measured by the second amplitude detector included in the junction of the output of the generator with the second additional segment of the transmission line, while the input of the primary converter is connected to the inputs of the first and second additional segments of the transmission line in parallel.
  • the generator can be tuned in the frequency range in discrete steps, and at each tuning step, the ratio of the voltage measured by the amplitude detector to the voltage measured by the second amplitude detector is calculated, and the frequency dependence of the ratio of these voltages measured in the entire frequency range of the generator tuning is determined harmonic frequencies.
  • the problem is also solved due to the fact that in the method of measuring the physical parameters of the material, namely the level of the material in the tank, vessel or other capacity,
  • the resistance of the primary transducer which measures the voltage of the probe signal in the input circuit of the primary transducer by means of an amplitude detector, between the input of which and the input of the primary transducer the first additional segment of the transmission line is switched on, in which the traveling wave mode is created, determine the frequency of at least one of the harmonics of the probe signal, characterized in that at the harmonic frequency the input impedance of the primary Converter reaches a minimum,
  • the minimum input resistance can be determined by reaching the minimum voltage measured by the amplitude detector, or by achieving the minimum ratio of the specified voltage to voltage measured by the second amplitude detector included in the junction of the generator output with the second additional segment of the transmission line.
  • the generator can be tuned in the frequency range in discrete steps, with each step of the tuning to determine the voltage measured by the amplitude detector, or the ratio of the specified voltage to the voltage measured by the second amplitude detector, and upon completion of the tuning according to the frequency dependence of the specified parameters measured in the frequency range adjustment of the generator, determine the frequency of harmonics.
  • a traveling wave mode can be created by means of a terminating resistor connected to the end of the primary
  • the resistance of the terminating resistor chosen equal to the wave impedance of a long line in the environment of the controlled material.
  • a short-circuit jumper can be connected to the end of the transducer.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a bushing 9, in which both conductors of the primary transducer 1 are isolated from the shell of the vessel in which the material being monitored (from the housing of the primary transducer 1)
  • FIG. 2 shows an embodiment of the bushing 9, in which only one of the conductors of the primary Converter 1 is isolated from its housing.
  • Fig. 3 shows a device for measuring the physical parameters of a material, corresponding to device variants in which a resistor is connected to the conductors of the primary converter at its end.
  • Figure 4 shows the voltage graphs ⁇ * el depending on the frequency of the generator 5, and ⁇ del - or the voltage at the output of the amplitude detector 4 or the same voltage, but normalized by the voltage value from the output of the second amplitude detector 8.
  • the solid line of the graph corresponds to filling the primary converter with controlled material, and a dashed line - filling the primary converter with air.
  • the frequency shift of the characteristics characterizes the dielectric constant (its real component) of the controlled material (when the primary converter 1 is completely filled with the indicated
  • Figure 5 shows the primary transducer of the device for measuring the physical parameters of the material, namely the level immersed in the controlled material, while the space between the conductors of the primary transducer is partially filled with the controlled material.
  • figure 6 shows a graph of the voltage versus frequency of the generator 5, where U del is the voltage at the output of the amplitude detector 4 or the same voltage, but
  • the graph shows the harmonics frequencies, by the value of which it is possible to determine the level of the material when the transducer 1 is immersed in it.
  • Fig.7 presents a device for measuring the physical parameters of the material with a serial connection to the input of the primary Converter inputs of additional segments of the transmission line
  • Fig. 8 for this variant of the device, graphs of the dependence of the voltage ⁇ et on the frequency of the generator 5 are shown, where ⁇ et is either the voltage at the output of the amplitude detector or the same voltage, but normalized by the voltage value from the output of the second amplitude detector 8.
  • the proposed device for measuring the physical parameters of the material contains the following nodes:
  • the device for measuring the physical parameters of the material may also contain the following nodes:
  • bushing insulator electric signal input node at the input of the primary converter
  • the proposed device for measuring the physical parameters of the material is characterized by the following features.
  • the primary Converter 1 is made in the form of a long line segment with at least two conductors, the space between which is intended to be filled with a controlled material. To measure the moisture content of the material, its dielectric constant, as well as the concentration of the mixture of substances, or to determine the density of the material, the primary converter must be completely filled
  • the device can be used to determine the amount of material or measuring the fill level of the primary Converter 1 material.
  • the inputs of additional segments 2 and 3 of the transmission line are connected to the input of the primary converter 1, and, as the main option, the implementation of this connection in the form of a parallel connection is considered.
  • the first additional segment 2 of the transmission line is connected between the input of the primary converter 1 and the input of the amplitude detector 4.
  • the second additional segment 3 is connected between the input of the primary converter 1 and the output of the generator 5.
  • the output of the amplitude detector 4 and the control input of the generator 5 are connected to the measuring and control device 6.
  • the first additional segment 2 is made consistent with the amplitude detector 4, that is, it is loaded with a resistance equal to its wave impedance (this coordination is called the "traveling wave mode").
  • the resistance of the resistor 7 is selected so that the resistance of the load formed by the input resistance of the amplitude detector 4 and resistor 7 was equal to the wave impedance of the segment 2 of the transmission line.
  • the input impedance of diode amplitude detectors without a terminating resistor is usually one and tens of kilo-ohms.
  • the impedance of transmission lines is usually in the range of 20 ... 200 Ohms. Therefore to ensure
  • the required coordination is sufficient so that the resistance of the resistor 7 is equal to the wave resistance of the segment 2 of the transmission line. It should be noted that
  • section 2 with the amplitude detector 4 can also be achieved by turning on the broadband transformer between the output of this section 2 and the input of the detector 4, but using a resistor 7 for this purpose is simpler and gives better results.
  • a second amplitude detector 8 can be introduced into the device for measuring physical parameters, the input of which is connected to the output of the generator 5 at its junction with the second additional segment 3 of the transmission line, and the output of the detector 8 is connected to the measurement and control device 6.
  • the input of the probe signal to the converter 1 is carried out through a bushing insulator 9 containing two metal conductors separated by a dielectric.
  • the purpose of the bushing is to separate the controlled material from the external environment, sealing the primary converter 1.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a bushing in which both primary conductors
  • the transducer 1 is isolated from the housing of the transducer 1.
  • a resistor 10 may be connected to the conductors of the primary converter 1 at its end, as shown in FIG. 3 and 5, or jumper - short circuit 1 1, as shown in FIG. 1, 2 and 7.
  • the conductors of the primary transducer 1 at its end can be made not only closed (the so-called short circuit mode), but also open (idle mode). If the conductors of the primary Converter 1 at its end are closed, then the Converter 1 has a higher stability of electrical parameters than in idle mode. In such a converter, the influence on the stray capacitance measurements on end of the transmission line, characteristic for converters with open conductors at the end.
  • a device for measuring the physical parameters of the material works as follows.
  • the generator 5 is tuned in the operating frequency range by means of a measuring and control device 6.
  • the harmonic sounding signal generated by the generator 5 is fed to the input of the primary transducer 1 through the second additional segment 3 of the transmission line.
  • an amplitude detector 4 connected to the transducer 1 through the segment 2
  • the voltage of the probing signal in the input circuits of the transducer 1 is monitored. Due to the fact that segment 2 is coordinated by the detector 4 connected to it, a traveling wave mode is created in this segment 2. All the energy supplied to the input of this segment 2 is transmitted to the input of the detector 4.
  • the specified segment 2 does not introduce reactivity to the input of the primary Converter 1 and does not change the position of the minima of the input resistance in its frequency
  • the voltage from the output of the detector 4 is supplied to the device 6.
  • the voltage from the output of the second detector 8 is supplied to the device 6.
  • the resulting voltage (the voltage from the output of the amplitude detector 4 or the same voltage, but normalized by the voltage from the output of the second detector 8) is analyzed in the device 6 .
  • the frequencies of harmonics corresponding to the minimum input resistance of the Converter 1 occurs bypassing the transmission line formed by segments 2 and 3, the signal of the detector 4 is sharply reduced.
  • the frequencies are determined at which the value ⁇ d e t reaches a minimum and, accordingly, the input resistance of the primary reaches a minimum
  • finding the value of this parameter based on the measured harmonic frequencies can be done in two ways.
  • Method 1 is used to measure such physical parameters as humidity, density, concentration of a mixture of substances, as well as the level, that is, parameters determined by the dielectric constant of the medium. This method is illustrated by graphs of the dependence of U det on the frequency shown in figure 4. Here, the harmonic frequencies are indicated by:
  • the resistance is equal to the minimum in the following relation between the length of the converter and the wavelength:
  • the harmonics frequency measurements are performed alternately when filling the primary transducer 1 with air and when filling the primary transducer 1
  • the refractive index of the material (more precisely, its real component) is calculated.
  • Measurement of the harmonic frequency during air filling of the transducer 1 is sufficient to be performed only once during the manufacture of the device and these data should be stored in the memory of the processor of the measuring device 6. During operation of the device, a repeated measurement during air filling of the transducer may be required only
  • the refractive index in the technical literature is also called
  • This parameter is associated with the dielectric constant g of the material as follows:
  • the measured values of Yl and the temperature of the material determine its moisture content or other physical parameters that affect the refractive index, for example, the concentration of a mixture of substances, density, as well as the amount or level of material in the tank in which the primary transducer is installed.
  • Method 2 is used to measure such physical parameters as the material level or the distance from the input of the primary transducer to the surface of the material reflecting the electromagnetic sounding signal. Compared with the method 1 described above for measuring the level, method 2 is preferable since it provides greater accuracy due to the fact that the influence on the dielectric constant measurements of the material itself is reduced.
  • the peculiarity of this calculation is due to the fact that a probing signal is reflected at the interface between the air and the controlled material, and a voltage node is formed at the reflection site. Accordingly, the input resistance of the converter 1 reaches a minimum when along the length L of the converter
  • the probe signal supplied to the input of converter 1 is only partially reflected from the interface, but part of this signal passes into the controlled material.
  • the signal passed into the material may be reflected from the end of the transducer 1, the reflected signal add up with the signal reflected from the boundary of the media, which will not allow to determine the exact values of the frequencies of harmonics.
  • a traveling wave mode is created in the long-line section immersed in the material by means of a matching resistor 10. The resistance of the resistor 10 is chosen equal to the long-line wave resistance in the medium of the controlled material.
  • the resistance of this resistor will always be less than the wave resistance of the long line 1 in the air, therefore, in the absence of controlled material, the phase of the wave reflected from the resistor will correspond to the reflection from the lower measured interface between the media and the device will measure the distance to the point where the resistor is turned on.
  • jumper 1 1 In the absence of material, jumper 1 1 will provide a reflection of the probing signal with the same phase as from the interface, and the device will measure the distance to jumper 1 1.
  • Method 1 The generator 5 is tuned in the frequency range in discrete steps, and at each step of the tuning, the voltage measured by
  • the amplitude detector 4 or the ratio of the indicated voltage to the voltage measured by the second detector 8.
  • the processor of the device 6 calculates the refractive index of the material. Further, according to the calibration characteristics of the controlled material, taking into account its temperature, the processor calculates the physical parameters of this material.
  • the generator 5 is made in the form of a synthesizer, which generates the frequency of the probe signal by a digital code specified by the measuring and control device b.
  • the generator 5 is tuned in the frequency range continuously until a voltage extremum is detected ⁇ eb corresponding to the minimum input resistance of the converter 1. Next, the generator is put into mode
  • method 2 is more complicated to implement and more susceptible to interference caused by, for example, incomplete suppression of the probe signal transmitted to the controlled material.
  • the longitudinal dimensions of the bushing 9 are much less than the length of the primary transducer 1 and much less than the wavelength.
  • connection of additional segments 2 and 3 with the primary transducer 1 provides shunting at the harmonic frequency of the signal to the amplitude detector 4. But a series connection of additional segments 2 and 3 to the primary transducer 1 is possible. This solution is illustrated in FIG. 7 and 8. With this connection at the harmonic frequencies, the maximum signal transmission to detector 4 will be ensured. But since the accuracy of fixing the maximum of the signal is usually inferior to the accuracy of measuring the minimum, the parallel connection of segments 2 and 3 to converter 1 is
  • the proposed technical solution can be applied at cryogenic temperatures or temperatures of 1,000 ° C or more.

Abstract

Изобретение относится к области измерительной техники. Предлагается устройство измерения физических параметров материала, содержащее первичный преобразователь, выполненный в виде отрезка длинной линии с, по меньшей мере, двумя проводниками, пространство между которыми предназначено для заполнения упомянутым материалом, амплитудный детектор, имеющий выход, генератор зондирующего сигнала, имеющий вход управления и выполненный на основе перестраиваемого но частоте формирователя гармонического сигнала, устройство измерения и управления, к которому подключен вход управления генератора и выход амплитудного детектора, первый и второй дополнительные отрезки линии передачи, при этом первый дополнительный отрезок линии передачи включен между входом первичного преобразователя и входом амплитудного детектора, второй дополнительный отрезок линии передачи включен между выходом генератора и входом первичного преобразователя, входы первого и второго дополнительных отрезков линии передачи параллельно соединены с входом первичного преобразователя, а первый дополнительный отрезок линии передачи выполнен согласованным со стороны амплитудного детектора.

Description

СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
МАТЕРИАЛА
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Техническое решение относится к измерительной технике и предназначено для измерения физических параметров материала, например, влажности материала, его диэлектрической проницаемости, концентрации смеси веществ, плотности материала, а также уровня материала в резервуаре, сосуде или иной емкости.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны измерительный прибор и способ измерения физических параметров материала (патент РФ N° 2337328), например, плотности материала или уровня материала в резервуаре, основанные на контроле ослабления радиоактивного излучения,
пропускаемого через материал. Недостатком указанных устройств и способа является применение радиоизотопного источника, представляющего высокую опасность для людей. Другой недостаток— низкая точность измерения.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ измерения физических параметров материала, например, влажности материала, его диэлектрической проницаемости, концентрации смеси веществ, плотности материала, а также уровня материала в резервуаре, сосуде или иной емкости (публикация WO 2015/041568 А1 ), посредством первичного преобразователя, выполненного в виде отрезка длинной линии и погруженного в контролируемый материал, согласно которому подают гармонический зондирующий сигнал на вход первичного преобразователя и определяют частоту хотя бы одной из гармоник зондирующего сигнала, характеризующихся тем, что на частоте гармоники входное сопротивление первичного преобразователя достигает минимума, причем сопротивление первичного преобразователя определяют путем измерения напряжения зондирующего сигнала во входной цепи первичного
преобразователя посредством амплитудного детектора, зондирующий сигнал формируют генератором, который перестраивают в диапазоне частот, измеренное значение частоты гармоники сравнивают с частотой гармоники при заполнении первичного
преобразователя воздухом и по значениям этих частот или их отношению определяют физические параметры материала.
Данный способ реализуется в устройстве измерения физических параметров материала (публикация WO 2014/123450 А 1 ), содержащем первичный преобразователь, выполненный в виде отрезка длинной линии с не менее чем двумя проводниками, пространство между которыми предназначено для заполнения контролируемым материалом, амплитудный детектор, генератор зондирующего сигнала, имеющий вход управления и выполненный на основе перестраиваемого по частоте формирователя гармонического сигнала, устройство измерения и управления, к которому подключен вход управления генератора и выход амплитудного детектора, причем выход генератора соединен с входом первичного преобразователя через резистор, а вход амплитудного детектора соединен с входом первичного преобразователя непосредственно.
Известный способ и устройство не могут применяться при экстремальных температурах. Диапазон рабочих температур известного устройства определяется допустимым диапазоном температур эксплуатации полупроводниковых диодов, входящих в состав амплитудного детектора. Указанные диоды подсоединены
непосредственно к входу первичного преобразователя и имеют ту же температуру, что и первичный преобразователь, а, следовательно, ту же температуру, что и контролируемый материал. Очевидное решение, обеспечивающее термоизоляцию диодов, состоит в подключении амплитудного детектора не непосредственно к входу первичного преобразователя, а в линию передачи, соединяющую генератор с входом первичного преобразователя. Но в этом случае фаза стоячей волны, фиксируемая детектором, зависит уже не только от диэлектрических параметров контролируемого материала, но в очень большой степени и от конструкции и параметров проходного изолятора (узла ввода электрического сигнала на входе первичного преобразователя), а также от длины отрезка линии передачи между детектором и входом первичного преобразователя. В результате минимум измеряемого напряжения будет сдвинут по частоте относительно частоты гармоники первичного преобразователя, что приведет к большим ошибкам измерения физических параметров материала.
Рабочий диапазон температур полупроводниковых диодов, на основе которых выполняется амплитудный детектор, обычно не выходит за пределы -60 ... +150 °С. Соответственно, известное техническое решение только лишь в этом диапазоне температур обеспечивает измерения. Для контроля, в частности, пароводяных смесей с температурами свыше 150 °С или криогенных жидкостей применение известного технического решения не возможно без резкого ухудшения точности.
Другим недостатком известного устройства является сложность конструкции, выражающаяся в том, что электронные элементы размещены в первичном
преобразователе - на его входе. Это к тому же ограничивает функциональные
возможности в применении устройства.
При использовании технического решения, описанного в приведенном выше способе, для измерения уровня невозможно получить высокую точность определения уровня, что обусловлено зависимостью результатов измерения от физических параметров (диэлектрической проницаемости или (и) тангенса угла диэлектрических потерь) контролируемого материала. Уровень материала в известном решении определяется путем пересчета измеренной результирующей диэлектрической проницаемости среды в соотношение объемов сред с разными диэлектрическими проницаемостями. т.е. воздуха и контролируемого материала. Поэтому найденное значение уровня зависит от
комплексного значения диэлектрической проницаемости контролируемого материала. СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей предлагаемого технического решения является повышение точности измерения физических параметров материала, имеющего экстремальную температуру, расширение функциональных возможностей устройства для измерения физических параметров материала, и упрощение его конструкции.
Поставленная задача решена благодаря тому, что предлагаемое устройство измерения физических параметров материала содержит:
первичный преобразователь, выполненный в виде отрезка длинной линии с, по меньшей мере, двумя проводниками, пространство между которыми предназначено для заполнения упомянутым контролируемым материалом,
амплитудный детектор, имеющий вход и выход,
генератор зондирующего сигнала, имеющий вход управления и выполненный на основе перестраиваемого по частоте формирователя гармонического сигнала,
устройство измерения и управления, к которому подключен вход управления генератора и выход амплитудного детектора,
первый и второй дополнительные отрезки линии передачи, при этом
первый дополнительный отрезок линии передачи включен между входом первичного преобразователя и входом амплитудного детектора,
второй дополнительный отрезок линии передачи включен между выходом генератора и входом первичного преобразователя,
входы первого и второго дополнительных отрезков линии передачи параллельно соединены с входом первичного преобразователя, а
первый дополнительный отрезок линии передачи выполнен согласованным со стороны амплитудного детектора. Предлагаемое устройство, охарактеризованное выше в общих категориях, может иметь (но не обязательно имеет) особенности предпочтительных форм выполнения, перечисленные ниже. Эти особенности могут обеспечивать дополнительные
преимущества.
Физические параметры материала могут представлять собой диэлектрическую проницаемость материала, влажность материала, концентрацию смеси веществ, плотность, уровень или количество материала. Предлагаемое устройство подходит, в частности, для контроля материалов в экстремальных условиях, например, для измерения состава пароводяных смесей - контроля степени сухости пара, измерения уровня криогенных жидкостей или материалов с высокими температурами, в том числе для измерения уровня расплавленного металла.
Согласование первого дополнительного отрезка линии передачи со стороны амплитудного детектора может обеспечиваться посредством подсоединения
согласующего резистора параллельно входу амплитудного детектора.
Вывод проводников на входе первичного преобразователя может быть выполнен через проходной изолятор, предназначенный для герметизации первичного
преобразователя от внешней среды.
Проводники первого и второго дополнительных отрезков линии передачи и проводники первичного преобразователя могут быть выполнены из металла, устойчивого к воздействию экстремальных температур, а соединение указанных проводников может быть выполнено сварным.
Проводники первичного преобразователя на его конце могут быть выполнены замкнутыми, для чего к проводникам первичного преобразователя на его конце может быть подключена короткозамыкающая перемычка. К проводникам первичного преобразователя на его конце может быть подключен резистор с сопротивлением, равным волновому сопротивлению длинной линии в среде контролируемого материала.
Устройство может дополнительно содержать второй детектор амплитуды, при этом вход указанного детектора подключен к выходу генератора, а выход указанного детектора подключен к устройству измерения и управления. Такое решение позволяет исключить влияние нестабильности амплитудной характеристики генератора благодаря тому, что сигнал амплитудного детектора нормируют по сигналу второго детектора амплитуды, подключенного к выходу генератора.
Г енератор зондирующего сигнала может быть выполнен в виде синтезатора, который формирует частоту зондирующего сигнала по цифровому коду, задаваемому устройством измерения и управления, а устройство измерения и управления может содержать процессор, который вычисляет физические параметры материала по зиачениго частоты зондирующего сигнала, на которой достигается минимум входного
сопротивления первичного преобразователя.
Устройство измерения и управления может содержать аналоговый узел, выполненный с возможностью перестройки частоты генератора до достижения минимума входного сопротивления первичного преобразователя, а также может содержать узел измерения указанной частоты.
Поставленная задача также решена благодаря тому, что в способе измерения физических параметров материала
используют первичный преобразователь, выполненный в виде отрезка длинной линии,
заполняют упомянутым контролируемым материалом первичный преобразователь, формируют гармонический зондирующий сигнал генератором, который
перестраивают в диапазоне частот, подают гармонический зондирующий сигнал с выхода генератора на вход первичного преобразователя через включенный между ними второй дополнительный отрезок линии передачи,
определяют сопротивление первичного преобразователя, для чего измеряют напряжение зондирующего сигнала во входной цепи первичного преобразователя посредством амплитудного детектора, между входом которого и входом первичного преобразователя включен первый дополнительный отрезок линии передачи, в котором создают режим бегущих волн,
определяют частоту, по меньшей мере, одной из гармоник зондирующего сигнала, характеризующихся тем, что на частоте гармоники входное сопротивление первичного преобразователя достигает минимума,
сравнивают измеренную частоту гармоники с частотой гармоники при заполнении первичного преобразователя воздухом и
определяют физические параметры материала по этим частотам или по их отношению.
Предлагаемый способ, охарактеризованный выше в общих категориях, может иметь (но не обязательно имеет) особенности предпочтительных форм осуществления, перечисленные ниже. Эти особенности могут обеспечивать дополнительные
преимущества.
Частоту гармоники могут определять по достижению минимума напряжения, измеренного посредством амплитудного детектора, или по достижению минимума отношения указанного напряжения к напряжению, измеренному посредством второго детектора амплитуды, включенного в месте соединения выхода генератора со вторым дополнительным отрезком линии передачи, при этом вход первичного преобразователя подключен к входам первого и второго дополнительных отрезков линии передачи параллельно. Генератор могут перестраивать в диапазоне частот дискретными шагами, при этом на каждом шаге перестройки вычисляют отношение напряжения, измеренного посредством амплитудного детектора, к напряжению, измеренному посредством второго детектора амплитуды, и по частотной зависимости отношения указанных напряжений, измеренной во всем диапазоне частот перестройки генератора, определяют частоты гармоник.
Одновременно могут измерять температуру материала.
Поставленная задача также решена благодаря тому, что в способе измерения физических параметров материала, а именно уровня материала в резервуаре, сосуде или иной емкости,
используют первичный преобразователь, выполненный в виде отрезка длинной линии,
погружают первичный преобразователь в упомянутый материал,
формируют гармонический зондирующий сигнал генератором, который перестраивают в диапазоне частот,
подают гармонический зондирующий сигнал с выхода генератора на вход первичного преобразователя через включенный между ними второй дополнительный отрезок линии передачи, при этом вход первичного преобразователя параллельно подключен к входам первого и второго дополнительных отрезков линии передачи,
определяют сопротивление первичного преобразователя, для чего измеряют напряжение зондирующего сигнала во входной цепи первичного преобразователя посредством амплитудного детектора, между входом которого и входом первичного преобразователя включен первый дополнительный отрезок линии передачи, в котором создают режим бегущих волн, определяют частоту, по меньшей мере, одной из гармоник зондирующего сигнала, характеризующихся тем, что на частоте гармоники входное сопротивление первичного преобразователя достигает минимума,
определяют расстояние от входа первичного преобразователя до поверхности контролируемого материала по разности измеренных частот гармоник или по частоте первой гармоники.
Предлагаемый способ, охарактеризованный выше в общих категориях, может иметь (но не обязательно имеет) особенности предпочтительных форм осуществления, перечисленные ниже. Эти особенности могут обеспечивать дополнительные
преимущества.
Минимум входного сопротивления могут определять по достижению минимума напряжения, измеренного посредством амплитудного детектора, или по достижению минимума отношения указанного напряжения к напряжению, измеренному посредством второго детектора амплитуды, включенного в месте соединения выхода генератора со вторым дополнительным отрезком линии передачи.
Генератор могут перестраивать в диапазоне частот дискретными шагами, при этом на каждом шаге перестройки определяют напряжение, измеренное посредством амплитудного детектора, или отношение указанного напряжения к напряжению, измеренному посредством второго детектора амплитуды, и по завершении перестройки по частотной зависимости указанных параметров, измеренных в диапазоне частот перестройки генератора, определяют частоты гармоник.
Для измерения уровня материала с низкими диэлектрическими потерями в погруженном в материал участке длинной линии могут создавать режим бегущих волн посредством согласующего резистора, подключенного к концу первичного
преобразователя, причем в этом случае сопротивление согласующего резистора выбирают равным волновому сопротивлению длинной линии в среде контролируемого материала.
Для измерения уровня материала с высокими диэлектрическими потерями к концу первичного преобразователя могут подключать короткозамыкающую перемычку.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется на фиг.1 -8.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 и 2 представлено устройство измерения физических параметров материала, соответствующее вариантам устройства, в которых к проводникам первичного преобразователя на его конце подключена короткозамыкающая перемычка. При этом, на фиг. 1 показан вариант выполнения проходного изолятора 9, в котором оба проводника первичного преобразователя 1 изолированы от оболочки сосуда, в котором находится контролируемый материал (от корпуса первичного преобразователя 1 ), а на фиг.2 показан вариант выполнения проходного изолятора 9, в котором только один из проводников первичного преобразователя 1 изолирован от его корпуса.
На фиг.З представлено устройство измерения физических параметров материала, соответствующее вариантам устройства, в которых к проводникам первичного преобразователя на его конце подключен резистор.
На фиг.4 приведены графики напряжения ^*el в зависимости от частоты генератора 5, причем, ^del— или напряжение на выходе амплитудного детектора 4 или это же напряжение, но нормированное по значению напряжения с выхода второго детектора амплитуды 8. Сплошная линия графика соответствует заполнению первичного преобразователя контролируемым материалом, а пунктирная линия - заполнению первичного преобразователя воздухом. Частотный сдвиг характеристик характеризует диэлектрическую проницаемость (ее действительную составляющую) контролируемого материала (при полном заполнении первичного преобразователя 1 указанным
материалом).
На фиг.5 показан первичный преобразователь устройства измерения физических параметров материала, а именно уровня, погруженный в контролируемый материал, при этом пространство между проводниками первичного преобразователя частично заполнено контролируемым материалом.
Для заполнения первичного преобразователя, показанного на фиг.5, на фиг.6 приведен график зависимости напряжения от частоты генератора 5, где Udel— напряжение на выходе амплитудного детектора 4 или это же напряжение, но
нормированное по значению напряжения с выхода второго детектора амплитуды 8. На графике показаны частоты гармоник, по значению которых можно определить уровень материала при погружении в него преобразователя 1.
Следует отметить, что в представленном на фиг.1 - 3 устройстве измерения физических параметров материала входы дополнительных отрезков линии передачи подсоединены к входу первичного преобразователя параллельно, а показанные на фиг.4 и 6 характеристики соответствуют указанному варианту подключения.
На фиг.7 представлено устройство измерения физических параметров материала с последовательным подсоединением к входу первичного преобразователя входов дополнительных отрезков линии передачи, а на фиг. 8 для этого варианта устройства приведены графики зависимости напряжения ^et от частоты генератора 5, где ^et— или напряжение на выходе амплитудного детектора или это же напряжение, но нормированное по значению напряжения с выхода второго детектора амплитуды 8.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предложенное устройство измерения физических параметров материала содержит следующие узлы:
1— первичный преобразователь (зонд); 2— первый дополнительный отрезок двухпроводной линии передачи, являющейся длинной линией;
3— второй дополнительный отрезок двухпроводной линии передачи, являющейся длинной линией;
4— амплитудный детектор;
5— генератор зондирующего сигнала, имеющий вход управления и выполненный на основе перестраиваемого по частоте формирователя гармонического сигнала;
6— устройство измерения и управления.
Устройство измерения физических параметров материала может содержать также следующие узлы:
7— согласующий резистор;
8— второй детектор амплитуды;
9— проходной изолятор— узел ввода электрического сигнала на входе первичного преобразователя;
10— резистор;
1 1— короткозамыкающая перемычка.
Предложенное устройство измерения физических параметров материала характеризуется следующими признаками.
Первичный преобразователь 1 выполнен в виде отрезка длинной линии с не менее чем двумя проводниками, пространство между которыми предназначено для заполнения контролируемым материалом. Для измерения влажности материала, его диэлектрической проницаемости, а также концентрации смеси веществ или для определения плотности материала первичный преобразователь должен быть полностью заполнен
контролируемым материалом. При неполном заполнении первичного преобразователя 1 материалом (показано на фиг. 5) устройство может быть использовано для определения количества материала или измерения уровня заполнения первичного преобразователя 1 материалом.
К входу первичного преобразователя 1 подсоединены входы дополнительных отрезков 2 и 3 линии передачи, причем, как основной вариант рассматривается выполнение указанного подключения в виде параллельного соединения. Первый дополнительный отрезок 2 линии передачи включен между входом первичного преобразователя 1 и входом амплитудного детектора 4. Второй дополнительный отрезок 3 включен между входом первичного преобразователя 1 и выходом генератора 5. Выход амплитудного детектора 4 и вход управления генератора 5 подключены к устройству 6 измерения и управления. Первый дополнительный отрезок 2 выполнен согласованным со стороны амплитудного детектора 4, то есть, нагружен на сопротивление, равное его волновому сопротивлению (указанное согласование называют «режимом бегущих волн»). Это обеспечено, например, подсоединением к выходу отрезка 2 параллельно входу амплитудного детектора 4 согласующего резистора 7 . Сопротивление резистора 7 выбрано с таким расчетом, что сопротивление нагрузки, образованной входным сопротивлением амплитудного детектора 4 и резистора 7, было равно волновому сопротивлению отрезка 2 линии передачи.
Входное сопротивление диодных амплитудных детекторов без согласующего резистора обычно составляет единицы и десятки килоом. Волновое сопротивление линий передачи обычно находится в пределах 20...200 Ом. Поэтому для обеспечения
требуемого согласования достаточно, чтобы сопротивление резистора 7 было равно волновому сопротивлению отрезка 2 линии передачи. Следует отметить, что
согласование отрезка 2 с амплитудным детектором 4 также может быть достигнуто включением широкополосного трансформатора между выходом этого отрезка 2 и входом детектора 4, но использование с этой целью резистора 7 проще и дает лучшие результаты. В состав устройства измерения физических параметров может быть введен второй детектор 8 амплитуды, вход которого подключен к выходу генератора 5 в месте его соединения с вторым дополнительным отрезком 3 линии передачи, а выход детектора 8 подключен к устройству 6 измерения и управления.
Ввод зондирующего сигнала в преобразователь 1 производят через проходной изолятор 9, содержащий два металлических проводника, разделенные диэлектриком. Назначение проходного изолятора— отделение контролируемого материала от внешней среды, герметизация первичного преобразователя 1 . Проходной изолятор 9
конструктивно может быть выполнен в виде коаксиально расположенных проводников, пространство между которыми заполнено диэлектриком. На фиг.2 и 3 показан вариант выполнения проходного изолятора 9, в котором только один из проводников первичного преобразователя 1 изолирован от оболочки сосуда (от корпуса преобразователя 1 ), в котором находится контролируемый материал. На фиг. 1 , 5 и 7 показан вариант выполнения проходного изолятора, в котором оба проводника первичного
преобразователя 1 изолированы от корпуса преобразователя 1.
К проводникам первичного преобразователя 1 на его конце может быть подключен резистор 10, как показано на фиг. 3 и 5, или перемычка— короткозамыкатель 1 1 , как показано на фиг. 1 , 2 и 7.
Для измерения влажности материала и других физических параметров, связанных с измерением диэлектрической проницаемости, проводники первичного преобразователя 1 на его конце могут быть выполнены не только замкнутыми (так называемый режим короткого замыкания), но и разомкнутыми (режим холостого хода). Если проводники первичного преобразователя 1 на его конце выполнены замкнутыми, то преобразователь 1 имеет более высокую стабильность электрических параметров, чем в режиме холостого хода. В таком преобразователе устранено влияние на измерения паразитной емкости на конце линии передачи, характерное для преобразователей с разомкнутыми на конце проводниками.
Устройство измерения физических параметров материала работает следующим образом.
Генератор 5 перестраивают в диапазоне рабочих частот посредством устройства 6 измерения и управления. Сформированный генератором 5 гармонический зондирующий сигнал подают на вход первичного преобразователя 1 через второй дополнительный отрезок 3 линии передачи. Посредством амплитудного детектора 4, подключенного к преобразователю 1 через отрезок 2, контролируют напряжение зондирующего сигнала во входных цепях преобразователя 1 . Благодаря тому, что отрезок 2 согласован со стороны подключенного к нему детектора 4, в этом отрезке 2 создан режим бегущих волн. Вся энергия, поступающая на вход этого отрезка 2, передается на вход детектора 4.
Режим бегущих волн обуславливает достижение следующего эффекта:
- связь детектора 4 с первичным преобразователем 1 не зависит от частоты;
- указанный отрезок 2 не вносит реактивность на вход первичного преобразователя 1 и не меняет положение минимумов входного сопротивления в его частотной
характеристике.
Тем самым обеспечено точное измерение напряжения во входных цепях преобразователя 1 на расстоянии, определяемом длиной отрезка 2, то есть фактически обеспечено дистанционное измерение. Амплитудный детектор 4 преобразует
высокочастотный зондирующий сигнал в низкочастотный. Напряжение с выхода детектора 4 подается в устройство 6. Одновременно в устройство 6 подается напряжение с выхода второго детектора 8. Результирующее напряжение (напряжение с выхода амплитудного детектора 4 или это же напряжение, но нормированное по напряжению с выхода второго детектора 8) анализируется в устройстве 6. На частотах гармоник, соответствующих минимуму входного сопротивления преобразователя 1 , происходит шунтирование линии передачи, образованной отрезками 2 и 3, сигнал детектора 4 резко уменьшается. Определяются частоты, на которых величина ^det достигает минимума и, соответственно, достигает минимума входное сопротивление первичного
преобразователя 1. Найденные частоты являются частотами гармоник.
В зависимости от измеряемого физического параметра нахождение величины этого параметра на основе измеренных частот гармоник может производиться двумя способами.
Способ 1 применяется для измерения таких физических параметров, как влажность, плотность, концентрация смеси веществ, а также и уровень, то есть параметров, определяемых по диэлектрической проницаемости среды. Этот способ иллюстрируется графиками зависимости Udet от частоты, показанными на фиг.4. Здесь частоты гармоник обозначены:
- при заполнении преобразователя 1 контролируемым материалом;
Figure imgf000018_0001
при заполнении преобразователя 1 воздухом.
Для преобразователя 1 , у которого проводники на его конце выполнены замкнутыми, номер гармоники I равен количеству полуволн, «укладывающихся» на длине L преобразователя 1 :
Figure imgf000018_0002
где λ— длина волны в среде материала, заполняющего преобразователь 1 , причем номер гармоники / = 1 , 2, 3, . .. .
Для преобразователя 1 с разомкнутыми на конце проводниками сопротивление равно минимуму при следующем соотношении между длиной преобразователя и длиной волны:
Figure imgf000019_0001
причем номер гармоники = 1 , 3, 5, ... .
Измерения частот гармоник выполняют поочередно при заполнении первичного преобразователя 1 воздухом и при заполнении первичного преобразователя 1
контролируемым материалом. В зависимости от ширины диапазона перестройки в результате измерений можно получить значения частот ряда гармоник. По измеренным частотам гармоник вычисляют показатель преломления материала (точнее, его действительную составляющую).
Так как электрическая длина проходного изолятора 9 много меньше электрической длины самого первичного преобразователя 1 , то посредством следующих математических выражений можно вычислить показатель преломления ^ материала:
Figure imgf000019_0002
или
Figure imgf000019_0003
или
Figure imgf000019_0004
или 0
f* - f)
п - M
f,M - , где m количество измеренных гармоник, причем т =/, 2, 3, ... ;
I , J — номера гармоник, причем Ф J , I О
Figure imgf000020_0001
— частоты гармоник с номерами / , J при заполнении первичного преобразователя контролируемым материалом;
Figure imgf000020_0002
гармоник с номерами при заполнении первичного преобразователя воздухом.
Для обеспечения высокой точности предпочтительнее работа с низшими гармониками. В большинстве практических случаев достаточно проводить измерения только по первым двум гармоникам, и даже по одной гармонике, например, первой (т -
/.- / = / .
Измерение частоты гармоники при воздушном заполнении преобразователя 1 достаточно выполнить один раз при изготовлении прибора и эти данные занести в память процессора устройства измерения 6. При эксплуатации прибора повторное измерение при воздушном заполнении преобразователя может потребоваться только для
метрологической поверки.
П
Показатель преломления в технической литературе также называют
коэффициентом замедления или коэффициентом укорочения длины волны. Этот параметр связан с диэлектрической проницаемостью г материала следующим соотношением:
Figure imgf000020_0003
По измеренным значениям Yl и температуре материала определяют его влажность или другие физические параметры, влияющие на показатель преломления, например, концентрацию смеси веществ, плотность, а также количество или уровень материала в емкости, в которой установлен первичный преобразователь.
Способ 2 применяется для измерения таких физических параметров, как уровень материала или расстояние от входа первичного преобразователя до поверхности материала, отражающей электромагнитный зондирующий сигнал. По сравнению с описанным выше способом 1 для измерения уровня способ 2 предпочтительнее, так как обеспечивает большую точность благодаря тому, что уменьшено влияние на измерения диэлектрической проницаемости самого материала.
Этот способ иллюстрируется графиками зависимости от частоты, показанными на фиг. 6. По достижению минимума напряжения t^et определяют значения частот одной или нескольких гармоник:
0 частота нулевой гармоники; частота первой гармоники;
Figure imgf000021_0001
частота второй гармоники.
В общем случае: fi+ \ ' fi - частоты соседних гармоник с номерами 1 ' + ^ 1
Расстояние h 'I от входа первичного преобразователя до поверхности
контролируемого материала определяют посредством математических выражений:
А = С / 2/„
или h = C / 2(fi+l - f, ), {2) где с - скорость распространения электромагнитного сигнала в воздухе (в среде над контролируемым материалом).
Отметим, что выражение (1) является частным случаем выражения (2) для
f
гармоник с номерами 1 и 0, так как частота нулевой гармоники 0 для
рассматриваемого первичного преобразователя равна нулю:
Л - о.
Особенность такого подсчета обусловлена тем, что на границе раздела сред воздуха и контролируемого материала зондирующий сигнал отражается, причем в месте отражения образуется узел напряжения. Соответственно, входное сопротивление преобразователя 1 достигает минимума, когда на длине L преобразователя
«укладывается» целое число 1 полуволн:
Figure imgf000022_0001
где λ— длина волны в воздухе (в среде над контролируемым материалом).
Отметим, что число полуволн I соответствует номеру гармоники.
Подаваемый на вход преобразователя 1 зондирующий сигнал лишь частично отражается от границы раздела сред, но часть этого сигнала проходит в контролируемый материал.
Рассмотрим два случая. Первый, когда контролируемый материал характеризуется низкими диэлектрическими потерями, что имеет место при измерении уровня
нефтепродуктов, а также воды с малым содержанием солей. В этом случае прошедший в материал сигнал может отразиться от конца преобразователя 1 , отраженный сигнал сложится с сигналом, отраженным от границы сред, что не позволит определить точные значения частот гармоник. Для подавления отражений зондирующего сигнала, прошедшего внутрь контролируемого материала, в погруженном в материал участке длинной линии создают режим бегущих волн посредством согласующего резистора 10. Сопротивление резистора 10 выбирают равным волновому сопротивлению длинной линии в среде контролируемого материала. Следует отметить, что сопротивление этого резистора всегда будет меньше волнового сопротивления длинной линии 1 в воздухе, поэтому в отсутствии контролируемого материала фаза отраженной от резистора волны будет соответствовать отражению от нижней измеряемой границы раздела сред и прибор будет измерять расстояние до места включения резистора.
В случае, когда контролируемый материал характеризуется высокими
диэлектрическими потерями (например, вода с высокой концентрацией солей), сигнал, прошедший в контролируемый материал, полностью поглощается в нем. В этом случае вместо резистора к концу преобразователя [ может быть подключена
короткозамыкающая перемычка 1 1. В отсутствии материала перемычка 1 1 обеспечит отражение зондирующего сигнала с той же фазой, что и от границы раздела сред, и прибор будет измерять расстояние до перемычки 1 1.
В отсутствии контролируемого материала в резервуаре подключение резистора 10 или перемычки 1 1 исключает неопределенность результата измерений.
И в способе 1 и в способе 2 поиск минимумов в частотной характеристике первичного преобразователя 1 и вычисление по ним частот гармоник может выполняться по одному из приведенных ниже методов.
Метод 1 . Генератор 5 перестраивают в диапазоне частот дискретными шагами и на каждом шаге перестройки фиксируют напряжение, измеренное посредством
амплитудного детектора 4, или отношение указанного напряжения к напряжению, измеренному посредством второго детектора 8. По набору указанных значений, полученному для всего диапазона частот перестройки, определяют частоты гармоник. По найденным значениям указанных частот процессор устройства 6 вычисляет показатель преломления материала. Далее, по калибровочным характеристикам контролируемого материала с учетом его температуры процессор вычисляет физические параметры этого материала. Для обеспечения работы по данному методу генератор 5 выполнен в виде синтезатора, который формирует частоту зондирующего сигнала по цифровому коду, задаваемому устройством б измерения и управления.
Метод 2. Генератор 5 перестраивают в диапазоне частот непрерывно до обнаружения экстремума напряжения ^еЬ соответствующего минимуму входного сопротивления преобразователя 1. Далее генератор переводят в режим
автосопровождения— автоматической подстройки под частоту экстремума. При нахождении экстремума производят отсчет частоты генератора 5 и далее, как и в предыдущем методе, вычисляют показатель преломления, по которому определяют физические параметры контролируемого материала. Для реализации данного метода в устройство 6 введены аналоговый узел, выполненный с возможностью перестройки частоты генератора 5 до достижения минимума входного сопротивления первичного преобразователя 1 , и узел измерения частоты генератора 5.
Метод 2 по сравнению с методом 1 более сложен в реализации и более подвержен влиянию помех, вызванных, например, неполным подавлением зондирующего сигнала, прошедшего в контролируемый материал.
В качестве дополнительного пояснения необходимо отметить ряд следующих особенностей, присущих данному техническому решению.
Благодаря использованию эффекта однонаправленного распространения зондирующего сигнала в согласованной длинной линии передачи можно выбрать длину дополнительных отрезков 2 и 3 в пределах от единиц сантиметров до десятков метров, и что важно, практически без влияния на точность измерения. Измерение частот выполняют при минимуме входного сопротивления
преобразователя 1. Такое решение практически полностью исключает влияние конструкции и паразитных реактивностей проходного изолятора 9 на результаты измерения. Последнее утверждение хотелось бы выделить: так как измерения
производятся при минимуме входного сопротивления преобразователя 1 , то его низкое входное сопротивление шунтирует паразитные реактивности, вносимые в точку измерения конструкцией проходного изолятора 9, что обуславливает достижение высокой точности измерения. Отметим, что продольные размеры проходного изолятора 9 много меньше длины первичного преобразователя 1 и много меньше длины волны.
Как уже было отмечено ранее, соединение дополнительных отрезков 2 и 3 с первичным преобразователем 1 обеспечивает шунтирование на частоте гармоники передачу сигнала к амплитудному детектору 4. Но возможен вариант последовательного соединения дополнительных отрезков 2 и 3 к первичному преобразователю 1. Это решение проиллюстрировано на фиг. 7 и 8. При таком соединении на частотах гармоник будет обеспечен максимум передачи сигнала к детектору 4. Но так как точность фиксации максимума сигнала обычно уступает точности измерения минимума, то параллельное присоединение отрезков 2 и 3 к преобразователю 1 является
предпочтительн ым .
Дистанционное измерение напряжения на входе первичного преобразователя позволяет вынести все электронные узлы устройства измерения далеко за пределы области с экстремальными условиями. Кроме того, перенос электронных элементов (диодов детекторов 4 и 8) из зонда в общий электронный блок упрощает конструкцию устройства измерения, обеспечивает расширение функциональных возможностей его применения.
Предложенное техническое решение может применяться при криогенных температурах или температурах в 1 000 °С и более.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1 . Устройство измерения физических параметров материала, содержащее первичный преобразователь, выполненный в виде отрезка длинной линии с, по меньшей мере, двумя проводниками, пространство между которыми предназначено для заполнения упомянутым контролируемым материалом,
амплитудный детектор, имеющий вход и выход,
генератор зондирующего сигнала, имеющий вход управления и выполненный на основе перестраиваемого по частоте формирователя гармонического сигнала,
устройство измерения и управления, к которому подключен вход управления генератора и выход амплитудного детектора,
первый и второй дополнительные отрезки линии передачи, при этом
первый дополнительный отрезок линии передачи включен между входом первичного преобразователя и входом амплитудного детектора,
второй дополнительный отрезок линии передачи включен между выходом генератора и входом первичного преобразователя,
входы первого и второго дополнительных отрезков линии передачи параллельно соединены с входом первичного преобразователя, а
первый дополнительный отрезок линии передачи выполнен согласованным со стороны амплитудного детектора.
2. Устройство по п.1 , характеризующееся тем, что в нем упомянутые физические параметры материала представляют собой влажность материала,
концентрацию смеси веществ, плотность, уровень или количество материала.
3. Устройство по п.1 , характеризующееся тем, что в нем согласование первого дополнительного отрезка линии передачи со стороны амплитудного детектора обеспечено посредством подсоединения согласующего резистора параллельно входу амплитудного детектора.
4. Устройство по п.1 , характеризующееся тем, что в нем вывод проводников на входе первичного преобразователя выполнен через проходной изолятор,
предназначенный для герметизации первичного преобразователя от внешней среды.
5. Устройство по п.4, характеризующееся тем, что в нем проводники первого и второго дополнительных отрезков линии передачи и проводники первичного
преобразователя выполнены из металла, устойчивого к воздействию экстремальных температур, а соединение указанных проводников выполнено сварным.
6. Устройство по любому из пп.1 -5, характеризующееся тем, что в нем проводники первичного преобразователя на его конце выполнены замкнутыми для чего к проводникам первичного преобразователя на его конце подключена короткозамыкающая перемычка.
7. Устройство по любому из пп.1 -5, характеризующееся тем, что в нем к проводникам первичного преобразователя на его конце подключен резистор с
сопротивлением, равным волновому сопротивлению длинной линии в среде
контролируемого материала.
8. Устройство по любому из пп.1 -7, характеризующееся тем, что оно дополнительно содержит второй детектор амплитуды, при этом вход указанного детектора подключен к выходу генератора, а выход указанного детектора подключен к устройству измерения и управления.
9. Устройство по любому из пп.1 -8, характеризующееся тем. что в нем генератор зондирующего сигнала выполнен в виде синтезатора, который формирует частоту зондирующего сигнала по цифровому коду, задаваемому устройством измерения и управления, а устройство измерения и управления содержит процессор, который вычисляет физические параметры материала по значению частоты зондирующего сигнала, на которой достигается минимум входного сопротивления первичного преобразователя.
10. Устройство по любому из пп.1-8, характеризующееся тем, что в нем устройство измерения и управления содержит аналоговый узел, выполненный с возможностью перестройки частоты генератора до достижения минимума входного сопротивления первичного преобразователя, а также содержит узел измерения указанной частоты.
1 1. Способ измерения физических параметров материала, в котором
используют первичный преобразователь, выполненный в виде отрезка длинной линии,
заполняют упомянутым контролируемым материалом первичный преобразователь, формируют гармонический зондирующий сигнал генератором, который
перестраивают в диапазоне частот,
подают гармонический зондирующий сигнал с выхода генератора на вход первичного преобразователя через включенный между ними второй дополнительный отрезок линии передачи,
определяют сопротивление первичного преобразователя, для чего измеряют напряжение зондирующего сигнала во входной цепи первичного преобразователя посредством амплитудного детектора, между входом которого и входом первичного преобразователя включен первый дополнительный отрезок линии передачи, в котором создают режим бегущих волн,
определяют частоту, по меньшей мере, одной из гармоник зондирующего сигнала, характеризующихся тем, что на частоте гармоники входное сопротивление первичного преобразователя достигает минимума,
сравнивают измеренную частоту гармоники с частотой гармоники при заполнении первичного преобразователя воздухом и
определяют физические параметры материала по этим частотам или по их отношению.
12. Способ по п.1 1 , характеризующийся тем, что в нем частоту гармоники определяют по достижению минимума напряжения, измеренного посредством амплитудного детектора, или по достижению минимума отношения указанного напряжения к напряжению, измеренному посредством второго детектора амплитуды, включенного в месте соединения выхода генератора со вторым дополнительным отрезком линии передачи, при этом вход первичного преобразователя подключен к входам первого и второго дополнительных отрезков линии передачи параллельно.
13. Способ по любому из п.1 1 или п.12, характеризующийся тем, что в нем генератор перестраивают в диапазоне частот дискретными шагами, на каждом шаге перестройки вычисляют отношение напряжения, измеренного посредством амплитудного детектора, к напряжению, измеренному посредством второго детектора амплитуды, и по частотной зависимости отношения указанных напряжений, измеренной во всем диапазоне частот перестройки генератора, определяют частоты гармоник.
14. Способ по любому из пп.1 1 - 13, характеризующийся тем, что в нем одновременно измеряют температуру упомянутого материала.
15. Способ измерения физических параметров материала, а именно уровня материала, при котором
используют первичный преобразователь, выполненный в виде отрезка длинной линии,
погружают первичный преобразователь в упомянутый материал,
формируют гармонический зондирующий сигнал генератором, который перестраивают в диапазоне частот,
подают гармонический зондирующий сигнал с выхода генератора на вход первичного преобразователя через включенный между ними второй дополнительный отрезок линии передачи, при этом вход первичного преобразователя параллельно подключен к входам первого и второго дополнительных отрезков линии передачи, определяют сопротивление первичного преобразователя, для чего измеряют напряжение зондирующего сигнала во входной цепи первичного преобразователя посредством амплитудного детектора, между входом которого и входом первичного преобразователя включен первый дополнительный отрезок линии передачи, в котором создают режим бегущих волн,
определяют частоту, по меньшей мере, одной из гармоник зондирующего сигнала, характеризующихся тем, что на частоте гармоники входное сопротивление первичного преобразователя достигает минимума,
определяют расстояние от входа первичного преобразователя до поверхности контролируемого материала по разности измеренных частот гармоник или по частоте первой гармоники.
16. Способ по п.15, характеризующийся тем, что в нем минимум входного сопротивления определяют по достижению минимума напряжения, измеренного посредством амплитудного детектора, или по достижению минимума отношения указанного напряжения к напряжению, измеренному посредством второго детектора амплитуды, включенного в месте соединения выхода генератора со вторым
дополнительным отрезком линии передачи.
17. Способ по любому из пп.15- 16, характеризующийся тем, что в нем генератор перестраиваю! в диапазоне частот дискретными шагами, на каждом шаге перестройки определяют напряжение, измеренное посредством амплитудного детектора, или отношение указанного напряжения к напряжению, измеренному посредством второго детектора амплитуды, и по завершении перестройки по частотной зависимости указанных параметров, измеренных в диапазоне частот перестройки генератора, определяют частоты гармоник.
18. Способ по любому из ип.15-17, характеризующийся тем, что в нем для измерения уровня материала с низкими диэлектрическими потерями в погруженном в материал участке длинной линии создают режим бегущих волн посредством согласующего резистора, подключенного к концу первичного преобразователя, причем сопротивление согласующего резистора выбирают равным волновому сопротивлению длинной линии в среде контролируемого материала.
19. Способ по любому из пп.15-17, характеризующийся тем, что в нем для измерения уровня материала с высокими диэлектрическими потерями к концу первичного преобразователя подключают короткозамыкающую перемычку.
PCT/RU2015/000580 2014-09-17 2015-09-16 Способ и устройство измерения физических параметров материала WO2016043629A1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE212015000221.7U DE212015000221U1 (de) 2014-09-17 2015-09-16 Messgerät für die physikalischen Parameter eines Materials

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014137865/28A RU2576552C1 (ru) 2014-09-17 2014-09-17 Способ и устройство измерения физических параметров материала
RU2014137865 2014-09-17
RU2015116780/28A RU2597809C1 (ru) 2015-04-30 2015-04-30 Способ и устройство измерения физических параметров материала
RU2015116780 2015-04-30

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2016043629A1 true WO2016043629A1 (ru) 2016-03-24

Family

ID=55533555

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2015/000580 WO2016043629A1 (ru) 2014-09-17 2015-09-16 Способ и устройство измерения физических параметров материала

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE212015000221U1 (ru)
WO (1) WO2016043629A1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE212017000205U1 (de) 2016-08-26 2019-04-25 Vladimir Valerievich Konnov Messgerät für physikalische Parameter eines Materials
US11249033B2 (en) * 2017-11-21 2022-02-15 Oleg Kreonidovich Sizikov Method and device for measuring the physical parameters of a material

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5859536A (en) * 1997-01-08 1999-01-12 Oliver Haugen Moisture sensor having low sensitivity to conductance changes
US6281801B1 (en) * 1997-06-04 2001-08-28 Bechtel Bwxt Idaho, Llc System and method for monitoring water content or other dielectric influences in a medium
US7944220B2 (en) * 2004-12-17 2011-05-17 Delta-T Devices Limited Moisture content sensor and related methods
RU2571301C2 (ru) * 2013-09-23 2015-12-20 Олег Креонидович Сизиков Способ измерения физических параметров материала

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2572087C2 (ru) 2013-02-06 2015-12-27 Олег Креонидович Сизиков Влагомер

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5859536A (en) * 1997-01-08 1999-01-12 Oliver Haugen Moisture sensor having low sensitivity to conductance changes
US6281801B1 (en) * 1997-06-04 2001-08-28 Bechtel Bwxt Idaho, Llc System and method for monitoring water content or other dielectric influences in a medium
US7944220B2 (en) * 2004-12-17 2011-05-17 Delta-T Devices Limited Moisture content sensor and related methods
RU2571301C2 (ru) * 2013-09-23 2015-12-20 Олег Креонидович Сизиков Способ измерения физических параметров материала

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE212017000205U1 (de) 2016-08-26 2019-04-25 Vladimir Valerievich Konnov Messgerät für physikalische Parameter eines Materials
US11249033B2 (en) * 2017-11-21 2022-02-15 Oleg Kreonidovich Sizikov Method and device for measuring the physical parameters of a material

Also Published As

Publication number Publication date
DE212015000221U1 (de) 2017-04-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Bobrov et al. Wideband frequency domain method of soil dielectric property measurements
US9687169B2 (en) System, controller, and method for determining conductance of an object
JPS6236161B2 (ru)
US11249033B2 (en) Method and device for measuring the physical parameters of a material
RU2626409C1 (ru) Способ измерения физических свойств жидкости
WO2016043629A1 (ru) Способ и устройство измерения физических параметров материала
RU2571301C2 (ru) Способ измерения физических параметров материала
RU2647182C1 (ru) Способ измерения положения границы раздела двух сред в емкости
RU2576552C1 (ru) Способ и устройство измерения физических параметров материала
US11573288B2 (en) Multi-field zone proximity sensor as well as a method for measuring a distance of an object from the multi-field zone proximity sensor
AU2016295890A1 (en) System for measuring the voltage of a busbar
RU2578749C1 (ru) Способ определения положения границы раздела двух веществ в емкости
RU2572087C2 (ru) Влагомер
RU2597809C1 (ru) Способ и устройство измерения физических параметров материала
US11815484B2 (en) Device for measuring complex dielectric permittivity of a material-under-test, measuring device for multiple reflections of time-domain signals of a complex dielectric and measuring method thereof
RU2421693C1 (ru) Способ измерения массы сжиженного газа в замкнутом резервуаре
RU2620780C1 (ru) Способ определения положения границ раздела между компонентами трехкомпонентной среды в емкости
RU2642541C1 (ru) Устройство измерения физических параметров материала
JP6176332B2 (ja) 坪量及び水分量の測定方法と装置
WO2017018893A1 (en) Method and device for determining the quality of motor-car fuel
GB2543754A (en) Device for measuring the voltage of a busbar
RU2647186C1 (ru) Способ измерения положения границ раздела между компонентами трехкомпонентной среды в емкости
RU2645836C1 (ru) Способ определения уровня жидкости в емкости
RU2427805C1 (ru) Устройство для измерения массы сжиженного газа в замкнутом резервуаре
RU2750119C1 (ru) Способ определения комплексной диэлектрической проницаемости и толщины многослойных диэлектрических покрытий в диапазоне свч

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 15841186

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 212015000221

Country of ref document: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 15841186

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1