WO2019103655A2 - Способ и устройство измерения физических параметров материала - Google Patents

Способ и устройство измерения физических параметров материала Download PDF

Info

Publication number
WO2019103655A2
WO2019103655A2 PCT/RU2018/000755 RU2018000755W WO2019103655A2 WO 2019103655 A2 WO2019103655 A2 WO 2019103655A2 RU 2018000755 W RU2018000755 W RU 2018000755W WO 2019103655 A2 WO2019103655 A2 WO 2019103655A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sensor
input
output
transmission line
detector
Prior art date
Application number
PCT/RU2018/000755
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2019103655A3 (ru
Inventor
Олег Креонидович СИЗИКОВ
Владимир Валерьевич КОННОВ
Original Assignee
Олег Креонидович СИЗИКОВ
Владимир Валерьевич 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
Application filed by Олег Креонидович СИЗИКОВ, Владимир Валерьевич КОННОВ filed Critical Олег Креонидович СИЗИКОВ
Priority to US16/760,617 priority Critical patent/US11249033B2/en
Publication of WO2019103655A2 publication Critical patent/WO2019103655A2/ru
Publication of WO2019103655A3 publication Critical patent/WO2019103655A3/ru

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N22/00—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
    • G01N22/04—Investigating moisture content
    • 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
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/02—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using thermoelectric elements, e.g. thermocouples
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N22/00—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
    • 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
    • G01N27/22—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance
    • G01N27/221—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance by investigating the dielectric properties
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables

Definitions

  • the technical solution relates to the measurement technique and is designed to measure the moisture content of the material, dielectric constant,
  • WO2015041568 A1 a method for measuring physical parameters of a material in which a sensor is used, made in the form of a long transmission line segment with a signal conductor and one or several screen
  • the sensor is filled with the material being monitored and a harmonic sounding signal is supplied to its input, which is formed by a generator, the generator is rearranged in the frequency range and the voltage at the detector output, which converts the high frequency sounding signal to a low frequency voltage, is measured during tuning, and the minimum values of the specified voltage are determined harmonics, characterized by the fact that at these frequencies the length of the signal conductor of the sensor is equal to or a multiple of half the wavelength (equal to half wavelength or equal to the wavelength or equal to several half wavelengths of the probing signal in the material filling the sensor, the harmonic frequency measured when the sensor is filled with the monitored material is compared to the harmonic frequency measured when the sensor is filled with air and according to these frequencies or their ratio determine the physical parameters of the material, and the signal conductor of the sensor at the end is connected to the screen conductor, and the detector is connected directly to the input of the sensor.
  • a harmonic sounding signal is supplied to its input, which is formed by a generator, the generator is rearranged in the frequency range and the voltage
  • the known moisture meter contains a sensor made in the form of a segment of a long transmission line with a signal conductor and one or several screen conductors, the space between which is intended to be filled
  • the generator is made tunable in the frequency range and has a control input to adjust the frequency, a detector that converts a high-frequency sounding signal into a low frequency voltage, with the detector connected between the generator output and the sensor input and installed directly at the sensor input, a measurement and control device to which the generator control input is connected and detector output.
  • a feature of the above method and the device that implements it is the direct and absolute method for measuring the dielectric constant, based on measuring the harmonic frequencies of the probing signal and recalculating the obtained dielectric constant value into the humidity value of the material under test.
  • These harmonics are the resonant frequencies of a segment of a long transmission line of the sensor and are characterized by the fact that at these frequencies the length of the signal conductor of the sensor is equal to or a multiple of one half of the probing wave
  • the criterion for achieving the harmonic frequency is the minimum voltage at the detector output.
  • the probing signal is greatly attenuated, the resonance Q decreases, the resonance band widens and as a result the humidity measurement accuracy decreases.
  • resonance may be absent altogether.
  • the signal conductor (probe) of the sensor is placed in a dielectric envelope - a tube. But at high
  • the use of a dielectric shell no longer solves the problem.
  • the use of a dielectric tube is not possible for a number of applications of the moisture meter, for example, when installing such a moisture meter into a stream of bulk material on a conveyor belt
  • Another disadvantage of the known device, selected as the first analogue, is the limitation of the operating temperature range.
  • the semiconductor diodes included in the detector are directly connected to the sensor input and in fact have the same temperature as the monitored material. Therefore, the temperature range of the monitored material in the known device is limited by the permissible temperatures of semiconductor diodes.
  • the moisture meter implementing this method contains a sensor made in the form of a segment of a long transmission line with signal and two screen conductors, the space between which is intended to be filled with controlled
  • the screen conductors are formed by the walls of the metal bunker, and the signal conductor is made in the form of a metal bar, which is installed between the walls of the bunker parallel to them, the first and second segments
  • coaxial transmission line connected, respectively, to the input and output of the sensor, a high-frequency harmonic probe signal generator connected to the sensor input through the first segment of the coaxial transmission line, a segment of the reference transmission line whose input is connected to the generator output, phase detector, to the first input of which output of the reference transmission line is connected through a mixer, and output of the second coaxial transmission line is connected to the second input of the phase detector, through a second mixer, measuring device and
  • transitional horns are installed at the input and output of the sensor for reflection-free matching of the wave resistance of the first and second segments of the coaxial line with the wave
  • transient horns on the transition to the sensor are closed with a layer that is transparent to the probing electromagnetic signal.
  • the method of measuring humidity based on measuring the phase difference between the phase of the probing signal passing through the material being monitored and the phase of the signal passing through the reference transmission line is used in many moisture meters described, for example, in the monograph: Benzar VK, Microwave Technology - moisture measurement. - Minsk: High School, 1974, 352s.
  • the second analogue, as well as the technical solutions given in this monograph, has the following disadvantage:
  • the total phase shift of the signal in the sensor and connected to the sensor segments of the transmission line depends not only on the dielectric constant of the material filling the sensor, but also on the matching of the impedance of the transmission line of the sensor with the impedances of the transmission line sections connected to the sensor.
  • the characteristic impedance of the sensor's transmission line changes.
  • the phase detector In the moisture meters discussed above, the humidity is measured by the value of the measured phase, therefore the phase detector must have a stable and linear characteristic of converting the phase to the output voltage over the entire range of phase variation from 0 to 360 °.
  • the linearity of the detector conversion depends on the amplitude of its input signals. In materials with electrical conductivity, the probing signal is greatly attenuated, this affects the linearity of the characteristics of the phase detector. The phase shift of the signal in such materials can exceed severalfold 360 °.
  • a sensor is used made in the form of a segment of a long transmission line with a signal conductor and one or several screen conductors, the sensor is filled with a controlled material and a high-frequency harmonic signal is fed to its input, which is formed by the generator, the generator is rearranged in the frequency range and during the reconstruction, the voltage at the output of the detector converts
  • harmonic frequencies determine the minimum values of the specified voltage, characterized by the fact that at these frequencies the length of the signal conductor of the sensor is equal to or a multiple of half the wavelength of the probing signal in the material filling the sensor, and the probe signal is fed to the detector input from the sensor input through the first
  • WO2016043629A1 comprises a sensor made in the form of a long transmission line segment with a signal conductor and one or several screen
  • the generator is tunable in the frequency range and has a control input to adjust the frequency, a detector that converts the high-frequency sounding signal into a low frequency voltage, a measurement and control device to which the input is connected generator control and detector output, the first additional segment of the two-wire transmission line, the input of the specified segment is connected to the date input i, and its output is connected to the first detector input, the first additional segment of the transmission line is made consistent at the output connected to the detector, which is provided, for example, by connecting a matching resistor parallel to the output of the specified segment, the generator output is connected to the sensor input through the input segment of the transmission line .
  • the basis of the above method and its device is a direct and absolute method for measuring the dielectric
  • the purpose of the proposed technical solution is to improve the accuracy of measuring the physical parameters of materials with electrical conductivity, including materials with abrasive properties, as well as bulk materials with large fractions.
  • the sensor in the method of measuring the physical parameters of the material, in which a sensor is used, made in the form of a segment of a long transmission line with a signal conductor and one or more screen conductors, the sensor is filled with a controlled material and a high-frequency harmonic signal is sent to its input is formed by a generator, the generator is rearranged in the frequency range, and during the reconstruction, the voltage is measured at the output of the detector, which converts the high-frequency probe si drove into the low frequency voltage, and the harmonic frequencies determine the minimum values of the specified voltage, characterized by the fact that at these frequencies the length of the signal conductor of the sensor is equal to or a half of the wavelength of the probing signal in the material filling the sensor, and the probe signal is input to the detector input sensor through the first additional segment of the transmission line, in which they create a traveling wave mode, harmonic frequency,
  • the frequency of the harmonics is determined by comparing the phase of the probe signal at the sensor input with the phase of the probe signal at the sensor output, phase comparison is made in the detector, made in the form of a phase discriminator, whose output voltage reaches a minimum when its input signals are either in phase or out of phase the probe signal from the sensor output is fed to the second detector input through the second additional section of the transmission line entered into the moisture meter, the electrical length to expensively chosen equal to the electrical length of the first additional segment, and in the second
  • the mentioned physical parameters of the material are the dielectric constant, the moisture content of the material, the concentration of the mixture of substances, the density, and the refractive index of the material.
  • a direct and absolute method for measuring the dielectric constant (refractive index) is provided, based on measuring the harmonic frequencies of the probing signal and recalculating the obtained dielectric value
  • the dielectric constant measurement is indirect and the total moisture measurement error is already determined by two factors: the measurement error of the dielectric constant and the translation error
  • the proposed technical solution is in principle more accurate than the known solutions based on indirect measurement of the dielectric constant.
  • the measured component of the refractive index of the material is determined from the measured harmonic frequency ratio; with respect to the levels of the probing signal at the input and output of the sensor, determine the imaginary component of the refractive index;
  • the complex dielectric constant is calculated by the two parameters found and then the moisture content of the material (or other physical parameters) is determined by its value with increased accuracy.
  • the proposed solution which consists in additional measurement of the signal amplitudes, makes it possible to determine the complex dielectric constant, even at a high dielectric loss tangent greater than one.
  • the device measures the physical parameters of a material containing a sensor made in the form of a segment of a long transmission line with a signal conductor and one or more screen conductors, the space between which is intended to be filled with a controlled material connected to the input of the sensor generator, forming a high-frequency harmonic sounding signal, and the generator is made tunable to d It has a control input for frequency adjustment, a detector that converts a high-frequency probe signal into a low frequency voltage, a measurement and control device to which the generator control input and the detector output are connected, the first additional two-wire transmission line, the input of the specified segment is connected to the sensor input and its output is connected to the first input of the detector, and the first additional segment of the transmission line is made consistent at the output connected to the detector, which ensures but, for example, by connecting a matching resistor parallel to the output of the specified segment, the generator output is connected to the sensor input either directly or through the input segment of the transmission line,
  • the probe signal generator is made in the form of a synthesizer that generates the frequency of the probe signal using a digital code specified by the measurement and control device, and the measurement and control device contains a processor that calculates the physical parameters of the monitored material using the harmonic frequencies of the probe signal .
  • the frequency of the harmonics is determined by the minimum voltage at the detector output
  • composition of the measurement and control device introduced amplifier with nonlinear amplitude response
  • the detector includes a device for measuring and calculating the ratio of the probing signal levels at the sensor input and output
  • the output of the specified device is connected to the measurement and control device
  • the measurement and control device processor calculates the physical parameters of the material from the harmonic frequencies and the magnitude of the ratio of the levels of the probe signal at the input and output of the sensor.
  • An additional segment of the transmission line to the sensor input is produced through a power divider, made, for example, in the form of a resistor, which is connected between the sensor input and the input of the first additional segment of the transmission line.
  • the specified resistor forms with the input resistance of the first additional segment of the voltage divider.
  • the power divider performs two functions:
  • the need to reduce the signal power at the second input of the detector is due to the fact that to measure materials with high conductivity it is necessary to greatly increase the generator power.
  • Using a power divider limit the signal level at the second input of the detector at an acceptable level.
  • signal conductor is fixed at the ends in electrical leads containing a dielectric insulator; each of the electrical leads is located either on the side surface of the tube or on the end cap of the tube, respectively, signal sensor conductor has either a U-shaped form, or L-shaped, or the shape of a straight line, the input and additional segments of the transmission line are made of coaxial cable and connected to
  • the screen conductor of the sensor is made in the form of a shield
  • the signal conductor of the sensor is made in the form of a metal bar, which is mounted on a shield and is U-shaped, at the ends of the signal conductor is fixed in electrical inputs containing a dielectric insulator, the specified electrical inputs fixed in the shield, the input and additional segments of the transmission line are made of coaxial cable and connected to the signal conductor of the sensor through the specified electrical inputs.
  • This goal is achieved by the fact that on the outer surface of the shield coaxially with electrical leads installed two metal housing, made in the form of glasses with a hole in the bottom, and electrical leads installed in these holes, inside the first metal housing, which is the output of the signal conductor of the sensor , the glasses are connected by a metal tube, inside which the first additional section of the transmission line is placed, the second additional section of the transmission line is placed in the first meta body-crystal.
  • Additional segments of transmission lines and sensor conductors are made of metal that is resistant to high temperatures, and the electrical connection of these conductors is made using high-temperature solder.
  • a temperature sensor for example, a thermocouple
  • temperature sensor wires are connected to the measurement and control device, and the output from The holes in the bar indicated the wires are wound on a ferrite ring.
  • the wires of the temperature sensor are insulated from the signal and screen conductors. Due to the winding of the wires on the ferrite ring, they form a choke, which has a high resistance at the frequencies of the probing signal, this The influence of the temperature sensor wires on the probing signal is eliminated. Measuring the temperature of the material being monitored makes it possible to increase the accuracy of measuring its moisture content, since the dielectric constant depends not only on the water content in the material, but also on its temperature.
  • the screen and signal conductors of the sensor are made in the form of parallel rods, and the screen conductor can contain either one rod or several parallel rods, one of which has a through hole along its length, all rods are fixed with their ends on the first and the second metal bases, the rods forming the screen conductor being fixed on the bases so that they form an electrical contact with the bases, the signal conductor is fixed by its ends on the grounds by means of electrical leads containing a dielectric insulator, the input and additional segments of the transmission line are made of coaxial cable and connected to the signal conductor of the sensor through the specified electrical leads, while the input and first additional segments of the transmission line are connected to the sensor input from the first base side, the second additional a segment of the transmission line is connected to the output of the sensor from the side of the second metal base and is brought to the side of the first base through the mentioned e hole in the rod.
  • the screen conductor of the sensor is made in the form of a pipe with slots in its walls, and the signal conductor of the sensor is made in the form of a metal tube, which is located inside said pipe parallel to its axis; at the ends the signal conductor is fixed in electrical leads containing a dielectric insulator , electrical inputs are located on the end walls of the pipe, the input and additional sections of the transmission line are connected to the signal conductor of the sensor through the specified electrical inputs, input and
  • Additional sections of the transmission line are made of a coaxial cable, the second additional section of the transmission line connected to the sensor output is placed inside the tube forming the signal conductor, and the coaxial cable segment is wound on a ferrite ring at the tube output on the input side of the sensor.
  • the preferred purpose of the proposed technical solution is to measure the moisture content of bulk, pasty and liquid materials with high electrical conductivity.
  • Such materials include in particular:
  • Figure 1-8 shows the design of the device for measuring the physical parameters of the material in different versions.
  • Figures 9 and 10 show the spectra of the output signal of the detector and the corresponding possible electrical circuits of the detector.
  • Figure 11 and 12 shows a variant of the sensor moisture meter, which is designed to control bulk materials in bunkers, including materials with large fractions and having electrical conductivity, for example, anthracite, ore.
  • the proposed device for measuring the physical parameters of a material is characterized by the following features.
  • the measurement device moisture meter
  • the measurement device contains a sensor made in the form of a segment of a long transmission line formed by the signal conductor 1 and one or several screen conductors 2. The space between the conductors 1 and 2 is intended for filling with a controlled material.
  • the sensor contains input 3 and output 4. Sensor input 3 is connected to generator 5 output of a high-frequency harmonic sounding signal, the generator is tunable in the frequency range and has a control input for frequency adjustment.
  • the proposed device also contains a detector 6 and a device 7 for measurement and control, to which the control input of the generator 5 and the output of detector 6 are connected.
  • the detector 6 is designed as a phase discriminator.
  • the detector 6 converts a high-frequency probe signal taken from input 3 and output 4 of the sensor into a low-frequency output voltage, with the output voltage reaching a minimum when the input signals of the detector 6 are in-phase or out-of-phase.
  • the detector 6 is connected to the sensor using two segments 8, 9 of the two-wire transmission line, which, as shown in FIGS. 1-10, uses a coaxial cable.
  • the first input of the detector 6 is connected to the input 3 of the sensor through the first segment 8 of the coaxial cable, the second input of the detector 6 is connected to the output 4 of the sensor
  • segments 8 and 9 have the same electrical length. Segments 8, 9 at the outputs connected to the inputs of the detector 6, made consistent, which is achieved, for example, by connecting the terminating resistors 10 and 11 parallel to the outputs of these segments. The resistance of the resistors 10, 1 1 is chosen so that the resistance of the inputs of the detector 6 together with
  • the output of the generator 5 is connected to the input 3 of the sensor either directly or through the input section 12 of the transmission line, which can also be used as a coaxial cable.
  • the input segment 12 and additional segments 8, 9 are connected as follows: the signal conductors of the segments 8, 9, 12 are connected to the signal conductor 1 of the sensor, the screen conductors of these segments are connected to the screen conductor 2 of the sensor.
  • the connection of the first segment 8 to the input 3 of the sensor can be made through a resistor 13, performing the function of a power divider.
  • the ratio of the voltage division of this divider is determined by the following expression:
  • Pcb is the characteristic impedance of segment 8 of the transmission line
  • R is the resistance of the resistor 13.
  • the input of the second additional segment 9 can be connected to the output 4 of the sensor via an additional resistor 14, similar in size to the resistor 13 at the input of the first segment 8, but the resistor 14 should be little or zero.
  • the signal conductor 1 is made in the form
  • FIG. 2-4 shows the design of the moisture meter (measurement device) for the control of liquid and pasty materials in the pipeline, in the flow under pressure.
  • the screen conductor 2 is made in the form of a pipe
  • the signal conductor 1 is made in the form of a metal bar, which is located inside the pipe 2.
  • the rod is located inside the pipe parallel to its axis and has a U-shape, the ends of the rod are fixed in the electrical inlets 15 located on the side surface of the pipe (this variant is shown in figure 2);
  • the bar is located inside the pipe parallel to its axis and is L-shaped, the ends of the bar are fixed in the electrical leads 15, one of which is located on the side surface of the pipe, and the second is on the end cap of the pipe (this option is shown in FIG. 3);
  • the rod is located inside the pipe parallel to its axis and has the shape of a straight line, the ends of the rod are fixed in the electrical leads 15 located on the end caps from opposite ends of the pipe;
  • the rod is located inside the pipe perpendicular to its axis along the diameter of the pipe, has the shape of a straight line, the ends of the rod are fixed in electrical leads 15 located on the side wall of the pipe from its opposite sides (this option is shown in figure 4).
  • FIG. 2 shows a variant in which an additional housing 18 is attached to the housings 16 by means of metal tubes 17.
  • the detector 6 is placed in the housing 18, and the cable segments 8, 9 are connected to the detector 6 through the tubes 17.
  • a moisture meter of this design can be used to monitor materials with
  • the electronic components of the detector 6 are thermally isolated from the controlled material.
  • the generator 5 and the device 7 measurement and control are placed in a separate housing 27 at a distance from the sensor and connected to the sensor only by cables.
  • Figure 5 shows the moisture meter in the version designed to control bulk materials in bins, trays, augers or conveyor belts.
  • the screen conductor 2 is made in the form of a shield
  • the signal conductor 1 is made in the form of a metallic U-shaped bar and is fixed to the shield 2 by means of electrical leads 15 containing a dielectric insulator.
  • Input segment 12 and additional segments 8, 9 are made of coaxial cable and connected to the signal conductor 1 of the sensor through the specified electrical inputs 15.
  • two metal housings 16 are installed coaxially with the electrical leads 15, made in the form of glasses with a hole in the bottom, and electrical leads 15
  • the second segment 9 of the coaxial cable is placed in the first metal housing 16.
  • a hole 18 is made at the end of the bar 1 along its axis. Inside the hole 18 there is a temperature sensor 19 (for example, a thermocouple) connected to the measurement and control device 7. Insulated wire sensor 19 at the outlet of the hole 18 is wound on a ferrite ring 20, forming a choke for high frequency currents. This solution eliminates the influence of the temperature sensor 19 on the measurement of the probing signal.
  • a temperature sensor 19 for example, a thermocouple
  • FIG. 6 shows a variant of the sensor immersion moisture meter, which can be used to control bulk materials in herds, barns, cars, in car bodies, as well as during storage and processing of bulk materials directly at the sampling sites. The same option can be applied to control liquid and pasty materials in tanks.
  • This version of the moisture meter signal 1 and screen 2 sensor conductors are made in the form of parallel rods, and screen conductor 2 can contain either one rod or several
  • a through hole is made along its length. All rods are fixed with their ends on the first and second metal bases 21 and 22, and the rods forming the screen conductor 2 are fixed so that they form electrical contact with the bases 21 and 22.
  • the signal conductor 1 is fixed at its ends on the bases 21, 22 by means of electrical leads 15 containing a dielectric insulator.
  • Sections 8, 9 and 12 of the transmission line are made of coaxial cable and connected to the signal conductor 1 of the sensor via electrical leads 15.
  • the input segment 12 and the first segment 8 of the cable are connected to input 3 of the sensor from the first base 21, and the second segment 9 is connected to output 4 sensor from the side of the second metal base 22 and displayed on the side of the first base 21 through the said hole in the rod 2.
  • Option screen sensor conductor 2 is formed by a metal pipe, and in the pipe walls there are slots 23 through which the sensor is filled with the controlled material.
  • the signal conductor 1 of the sensor is made in the form of a metal tube, which is located inside the pipe 2 parallel to its axis. At the ends of the tube 1 is fixed in the electrical inlets 15 containing a dielectric insulator. The electrical leads 15 are located on the end walls of the pipe 2.
  • the segments 8, 9 and 12 of the transmission line are connected to the signal conductor of the sensor through the specified electrical leads, and these segments are made of a coaxial cable containing an insulating sheath.
  • a cable section 9 connected to the sensor output 4 is placed inside the tube 1.
  • a segment 9 of the coaxial cable is wound on a ferrite ring 20.
  • This solution suppresses the parasitic electromagnetic coupling between the sensor input 3 and the coaxial screen conductor cable 9.
  • the sensor is equipped with a flange 24.
  • the proposed sensor can also be used to control liquid materials in tanks; in this case, instead of flange 24, a fitting with threaded connection for mounting the sensor to the pipe, and the cables coming out of the sensor pass through the specified pipe.
  • Figures 11 and 12 show a variant of the sensor of the moisture meter, which is designed to control bulk materials in bunkers, including materials with large
  • fractions and possessing electrical conductivity for example, anthracite, ore.
  • the screen walls of the 2 sensors are metal walls 28 of the bunker.
  • the signal conductor 1 of the sensor is made in the form of a metal pipe; the first 29 and the second 30 metal cases are fixed at the ends of the specified pipe; they are made as glasses with a hole in the bottom, the first metal case 29 is placed at the sensor inlet 3, and the second metal case 30 is placed on output 4 sensor.
  • the housings 29, 30 are fastened to the ends of the pipe 1 by means of dielectric insulators installed in the holes of the housings 29, 30 and forming sealed electrical leads 15 at the attachment point.
  • the metal housings 29, 30 are fixed in the holes made in the walls 28 of the bunker, and this mounting provides electrical the contact of the specified buildings with metal walls (28) of the hopper. As a result of this decision, the walls 28 of the bunker perform the function of the screen conductor 2.
  • the first 8 and second 9 additional segments of the transmission line are made of coaxial cable.
  • the second additional segment 9 is placed inside
  • the second additional segment 9 is connected to the output 4 of the sensor. This connection can be made in two versions, shown in FIG. 11 and 12.
  • the center conductor 31 of the coaxial cable 9 is electrically connected to the pipe 1 end, and its shield conductor 32 is electrically connected to the second metal housing 30.
  • This connection is characterized by the fact that the signal from the output 4 of the sensor enters the input of segment 9 without phase change.
  • a large parasitic capacitance between the screen conductor of the cable 9 and the inner surface of the pipe 1 is connected to the sensor output 4, that is, it shunts the sensor at the output 4.
  • the coaxial piece 9 of the cable at the pipe outlet 1 on the output side of sensor 4 is wound on a ferrite ring 33.
  • the choke formed by this winding eliminates the parasitic shunting mentioned above.
  • the coaxial cable 9 is electrically connected to the housing 30, and the screen conductor 32 of the cable 9 is electrically connected to the pipe 1 end.
  • the large parasitic capacitance between the screen cable conductor 9 and the inner surface of the pipe 1 is shorted by the connection of these conductors and does not affect the measurements.
  • the second feature of the proposed connection the signal from the output 4 of the sensor enters the input of segment 9 with a phase reversal of 180 °.
  • phase discriminator 6 with the characteristic shown in figure 10, such an additional phase reversal leads to the fact that the frequency of the first recorded resonance increases by 2 times.
  • the measured volume of the material is very large, it can reach 1 cubic meter or more, which excludes the influence on the measurement of heterogeneity in the distribution of moisture in volume, the measurement accuracy increases;
  • the - dimensions of the sensor can reach 1 m and more, respectively, the wavelength of the electromagnetic probe signal in the controlled material is 2 m and more, therefore, the size of the controlled material fractions can reach 20 cm or more. It should be clarified here: when probing by radio waves, the accuracy of measurement of materials is achieved when the condition that the wavelength is not less than 8 ... 10 times the size of the material fractions is met.
  • Additional metal cups 34 with a hole in the bottom, welded to the walls 28 of the bunker, are used to fasten metal housings 29, 30 to the metal walls 28 of the bunker. In these glasses 34 are placed and
  • metal cases 28 and 29 are fixed, and from the input 3 of the sensor, the first metal case 29 is pressed to the bottom of the additional cup 34 and
  • the second metal housing 30 is pressed to the bottom of the additional cup 34 and
  • Figures 9 and 10 show two possible signal spectra that determine the frequencies of the harmonics: graphs of the voltage frequency ⁇ et at the output of detector 6 and voltage
  • FIG. 10 shows the spectrum and circuit of the detector, in which the minimum output signal is achieved with antiphase input signals.
  • the transformer 26 is turned on at the inputs of the detector 6, which provide a 180 ° phase shift of one detector input signal relative to its second signal; for this, the secondary winding of one transformer 26 is switched in phase with its primary winding, and the other transformer 26 has a secondary winding antiphase with primary winding.
  • moisture meters made as an assembly of two modules: a sensor and an electronic unit 27.
  • the electronic unit includes a generator 5 and a device 7 for measurement and control.
  • This solution has the advantage that the electronic components for all versions of the moisture meter are identical, interchangeable. Moisture meters differ only in sensors whose design depends on the material to be measured and the measurement conditions (in the pipeline, in the tank, in the bunker, in the tray, etc.).
  • a device for measuring the physical parameters of the material works as follows.
  • the generator 5 is rearranged in the range of operating frequencies by means of the device 7 measurement and control. Formed by generator 5 harmonic
  • the probing signal is fed to the input 3 of the sensor either directly or through a segment 12 of the transmission line.
  • the phase of the probing signal transmitted to the output 4 of the sensor is compared with the phase of the signal at the input 3 of the sensor.
  • the specified phase comparison is made in the detector 6.
  • the voltage of the probing signal from input 3 and from output 4 of the sensor is fed to the inputs of the detector 6 through additional sections 8, 9 of the transmission line.
  • the harmonic frequencies are characterized by the fact that at these frequencies the length of the signal conductor 1 of the sensor is equal to or a multiple of half the wavelength of the probing signal in the material filling the sensor.
  • This definition of the harmonic frequency is identical to the following definition: at the harmonic frequency, the phase shift of the probing signal along the sensor length is equal to or a multiple of 180 °.
  • the 8, 9 line segments have equal electrical lengths and a traveling wave mode is created in them.
  • the specified uncertainty in the measurements is eliminated by using the following property of two cascaded segments of long transmission lines: if the length of the first (input) segment is equal to or a multiple of half the wavelength, then the total phase shift of the signal at the output of the second segment is not affected by the characteristic impedance of the first segment.
  • This property of long lines is the basis of the proposed technical solution.
  • This feature of the proposed solution can be formulated as follows: measurements of dielectric parameters are made at the moment when these measurements are not affected by the ratio of the wave impedances of the transmission line of the sensor and the segments of the transmission line connected to the sensor.
  • I is the harmonic number.
  • the harmonic number ⁇ is equal to the number of half-waves “stacked” on the length L of the signal conductor 1 of the sensor: where I ⁇ [is the wavelength in the medium of the material filling the sensor, the harmonic number I being 1, 2, 3, ....
  • the harmonic frequencies are measured alternately when the sensor is filled with air and when filled with a controlled material. Depending on the width of the tuning range, as a result of measurements, it is possible to obtain frequency values of a number of harmonics. Measurement of the harmonic frequency during the air filling of the sensor is enough to be performed once during the manufacture of the device and this data is stored in the processor memory of the measuring device 7. When the moisture meter is in operation, a second measurement with air filling may be required only for metrological verification.
  • FIG. 10 presents the spectrum and variant of the detector when measured at the first harmonic.
  • the phase discriminator contains a semiconductor diode, which is connected to the probing signal circuits through isolating capacitors.
  • the output voltage of the discriminator is removed directly from the semiconductor diode and transmitted to the output of the detector 6 through resistors, the resistance of which is an order of magnitude greater than the resistance of resistors 10, 11.
  • phase discriminator circuits shown in FIGS. 9, 10 are simplified, but the detector, made literally according to these circuits, is operational.
  • the technical discriminator for the phase discriminator has other requirements, in particular, the linearity of the transformation of the phase difference of the input signals in the discriminator does not matter. Accordingly, the principle of control of phase matching (or antiphase) of the input signals is different than with continuous phase measurement.
  • the accuracy of fixing the phase coincidence (antiphase) of signals is much higher than the accuracy of measuring an arbitrary phase value in the range of 0 - 360 °. Therefore, the accuracy of measuring the physical parameters of the proposed solution is much higher and is ensured, including for materials that significantly weaken the probe signal.
  • the problem of phase measurement ambiguity inherent in the second analogue is simultaneously solved: the phase of a signal transmitted through a material with a high dielectric constant, measured at a fixed frequency, can exceed 360 ° many times.
  • this problem is solved by choosing the lower frequency of the generator tuning range: the indicated frequency must be lower than the frequency of the first (or second) harmonics. If, due to the high dielectric constant of the material, this requirement cannot be met, then the solution described in the patents of the first analogue and prototype is applied: refractive index 7? determined through the frequency difference of neighboring harmonics.
  • the technical index 77 in the technical literature given in formula (2) is also called the deceleration coefficient or the wavelength shortening coefficient. This parameter is related to the dielectric constant £ g of the material at low dielectric losses by the following relation:
  • the measured value of 7 determines the moisture content of the material or other physical parameters that affect the dielectric constant, for example, the concentration of a mixture of substances, density.
  • the calibration tables recorded in the processor of the device 7 are used, connecting the measured parameter with the values 77 (or g ).
  • To determine the humidity at the same time measure the temperature of the controlled material.
  • calibration tables are recorded for four values.
  • the moisture meter automatically generates a calibration table for a specific temperature by interpolating between the tables with the closest temperatures recorded in the memory.
  • L is the length of the signal conductor 1 sensor.
  • the proposed technical solution allows to determine the complex values of the dielectric parameters, which improves the accuracy of measurement of materials with electrical conductivity.
  • the search for minima in the output spectrum of the detector 6 and the calculation of harmonic frequencies from them can be performed using one of the following algorithms.
  • the generator 5 is tuned in the frequency range in discrete steps and the voltage measured with the detector 6 is recorded at each tuning step.
  • the harmonic frequencies are determined from the set of measured voltage values obtained for the entire tuning frequency range.
  • the found values of the frequencies of the harmonics of the processor device 7 calculates the refractive index 7 of the material. Further, according to the calibration characteristics of the monitored 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 probing signal by the digital code defined by the device 7 measurement and control.
  • Algorithm 2 The generator 5 is rearranged in the frequency range continuously until the detection of the minimum voltage ⁇ et ⁇ Next, the generator 5 is switched to the automatic tracking mode - automatic adjustment to the minimum frequency. When a minimum is found, the generator frequency 5 is counted and then, as in the previous algorithm, the refractive index is calculated, which is used to determine the physical parameters of the material being monitored. To implement this algorithm, an analog node was introduced into the device 7, which was configured to tune the frequency of the generator 5 until the minimum at the output of the detector 6 was reached, and the node measuring the frequency of the generator 5.
  • an amplifier 25 with a nonlinear amplitude characteristic is introduced into the device 7, providing amplification of the output voltage of the detector 6 so that the low level voltage is amplified and the high level voltage is limited.
  • the voltage minima U a are aggravated, which allows to increase the accuracy of the minimum frequency measurement.
  • the detector 6 is connected to the sensor through segments of transmission lines, this allows you to place the semiconductor radioelements of the measurement device at a distance from the structural elements of the sensor in direct contact with the material being monitored.
  • the conductors of the input 12 and additional segments 8, 9 of the transmission line and the conductors 1, 2 of the sensor are made of metal resistant to high temperatures, and the electrical connection of the specified conductors is made using high-temperature solder.
  • the signal conductor of the sensor is made of corrosion-resistant hardened steel, for example, 40X13 (AISI 420).
  • the length of the signal conductor of the sensor is 100 mm;
  • the detector is made in the variant for which the minimum of the output signal corresponds to antiphase input signals (figure 10);
  • the moisture meter provides measurements of dielectric parameters and water content in the whole range from pure water to suspension, in which the ratio of the solid phase to the liquid is 100%.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)

Abstract

Техническое решение относится к измерительной технике и предназначено для измерения диэлектрической проницаемости и влажности сыпучих, пастообразных и жидких материалов с высокой электропроводностью, в т.ч. солевой пульпы, антрацита, руды, сырой нефти и нефтяных шламов. Способ основан на применении датчика, выполненного в виде отрезка длинной линии передачи. От генератора, перестраиваемого в диапазоне частот, на вход датчика подают зондирующий высокочастотный сигнал и измеряют частоты гармоник, характеризующиеся тем, что на этих частотах длина сигнального проводника датчика равна или кратна половине длины волны зондирующего сигнала в материале, заполняющем датчик. Частоты гармоник определяют по минимуму напряжения на выходе детектора, выполненного в виде фазового дискриминатора, у которого выходное напряжение достигает минимума, когда его входные сигналы или синфазны или противофазны. Входы детектора подключены к входу и выходу датчика через отрезки коаксиального кабеля одинаковой электрической длины, согласованные на выходах. Предложены конструкции влагомера, осуществляющего данный способ. Для измерений в трубопроводах датчик выполнен в виде трубы, внутри которой расположен сигнальный проводник. Для сыпучих материалов в бункерах и на конвейерах датчик выполнен в виде щита, на котором закреплен П-образный пруток. Технический результат заключается в повышении точности измерений.

Description

СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ
ПАРАМЕТРОВ МАТЕРИАЛА
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Техническое решение относится к измерительной технике и предназначено для измерения влажности материала, диэлектрической проницаемости, показателя
преломления, концентрации смеси веществ, плотности.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Из WO2015041568 А1 известен способ измерения физических параметров материала в котором применяют датчик, выполненный в виде отрезка длинной линии передачи с сигнальным проводником и одним или несколькими экранными
проводниками, датчик заполняют контролируемым материалом и на его вход подают зондирующий гармонический сигнал, который формируют генератором, генератор перестраивают в диапазоне частот и при перестройке измеряют напряжение на выходе детектора, преобразующего зондирующий высокочастотный сигнал в напряжение низкой частоты, и по минимальным значениям указанного напряжения определяют частоты гармоник, характеризующиеся тем, что на этих частотах длина сигнального проводника датчика равна или кратна половине длины волны (равна половине длины волны или равна длине волны или равна нескольким половинам длин волн) зондирующего сигнала в материале, заполняющем датчик, частоту гармоники, измеренную при заполнении датчика контролируемым материалом, сравнивают с частотой гармоники, измеренной при заполнении датчика воздухом, и по этим частотам или по их отношению определяют физические параметры материала, причем сигнальный проводник датчика на конце соединен с экранным проводником, а детектор подключен непосредственно к входу датчика.
Устройство (влагомер), осуществляющее указанный способ, описано в патентах RU128333U1, RU2572087C2, RU2572819C2, RU2585255C2, ЕР2921848А1. Подробное описание известного устройства приведено также на сайтах: http://fizepr.ru/,
http://fizepr.com/.
Известный влагомер содержит датчик, выполненный в виде отрезка длинной линии передачи с сигнальным проводником и одним или несколькими экранными проводниками, пространство между которыми предназначено для заполнения
контролируемым материалом, подключенный к входу датчика генератор, формирующий высокочастотный гармонический зондирующий сигнал, причем генератор выполнен перестраиваемым в диапазоне частот и имеет вход управления для регулировки частоты, детектор, преобразующий высокочастотный зондирующий сигнал в напряжение низкой частоты, причем детектор включен между выходом генератора и входом датчика и установлен непосредственно на входе датчика, устройство измерения и управления, к которому подключен вход управления генератора и выход детектора.
Особенностью приведенного способа и осуществляющего его устройства является прямой и абсолютный метод измерения диэлектрической проницаемости, основанный на измерении частот гармоник зондирующего сигнала и пересчете полученного значения диэлектрической проницаемости в значение влажности контролируемого материала. Указанные гармоники являются резонансными частотами отрезка длинной линии передачи датчика и характеризуются тем, что на этих частотах длина сигнального проводника датчика равна или кратна половине длины волны зондирующего
электромагнитного сигнала в материале, заполняющем датчик. Критерием достижения частоты гармоники (частоты резонанса) является минимум напряжения на выходе детектора. В материалах, обладающих электропроводностью, зондирующий сигнал сильно ослабляется, добротность резонанса падает, расширяется полоса резонанса и в результате точность измерения влажности снижается. Для материалов с повышенной электропроводностью резонанс может вообще отсутствовать. Для обеспечения возможности измерения таких материалов, например, для измерения сырой нефти, в известных влагомерах применяют следующее решение: сигнальный проводник (зонд) датчика помещают в диэлектрическую оболочку - трубку. Но при высокой
электропроводности материала, например, для насыщенного раствора соли, применение диэлектрической оболочки уже не решает проблему. Кроме того, использование диэлектрической трубки невозможно для ряда применений влагомера, так, например, при установке такого влагомера в поток кускового материала на ленте конвейера
диэлектрическая оболочка разрушится. Введение диэлектрической оболочки зонда снижает чувствительность влагомера и точность измерений. Калибровочная
характеристика такого влагомера определяется уже не только параметрами
контролируемого материала, но и параметрами диэлектрической трубки: ее диаметром, толщиной стенок и диэлектрической проницаемостью материала трубки.
Еще одним недостатком известного устройства, выбранного в качестве первого аналога, является ограничение диапазона рабочих температур. В известном устройстве полупроводниковые диоды, входящие в состав детектора, подсоединены к входу датчика непосредственно и фактически имеют ту же температуру, что и контролируемый материал. Поэтому диапазон температур контролируемого материала в известном устройстве ограничен допустимыми температурами полупроводниковых диодов.
Известен способ и устройство измерения физических параметров материала, предложенные в патентах RU2154816C2 и ЕР0829007В1, в котором применяют датчик, выполненный в виде отрезка длинной линии передачи с сигнальным проводником и двумя экранными проводниками, датчик заполняют контролируемым материалом и на его вход подают зондирующий гармонический сигнал, который формируют генератором, измеряют разность фаз между фазой зондирующего сигнала, прошедшего через датчик и отрезки коаксиальной линии передачи, подсоединенные к датчику, и фазой сигнала, прошедшего через отрезок эталонной линии передачи, подключенный параллельно датчику, и по разности фаз определяют влажность материала.
Влагомер, осуществляющий указанный способ, содержит датчик, выполненный в виде отрезка длинной линии передачи с сигнальным и двумя экранными проводниками, пространство между которыми предназначено для заполнения контролируемым
материалом, причем экранные проводники образованы стенками металлического бункера, а сигнальный проводник выполнен в виде металлического прутка, который установлен между стенками бункера параллельно им, первый и второй отрезки
коаксиальной линии передачи, подключенные, соответственно, к входу и выходу датчика, генератор высокочастотного гармонического зондирующего сигнала, подключенный к входу датчика через первый отрезок коаксиальной линии передачи, отрезок эталонной линии передачи, вход которого подключен к выходу генератора, фазовый детектор, к первому входу которого подключен через смеситель выход отрезка эталонной линии передачи, а ко второму входу фазового детектора подключен через второй смеситель выход второго отрезка коаксиальной линии передачи, устройство измерения и
управления, к которому подключен выход детектора, причем на входе и выходе датчика установлены переходные рупоры для свободного от отражений согласования волнового сопротивления первого и второго отрезков коаксиальной линии с волновым
сопротивлением линии передачи датчика, переходные рупоры на переходе к датчику закрыты слоем, прозрачным для зондирующего электромагнитного сигнала.
Данное техническое решение основано на измерении диэлектрической
проницаемости, но применяемый способ измерения диэлектрической проницаемости— косвенный, результат измерения зависит от параметров отрезка эталонной линии передачи, соответственно, данный способ не позволяет достичь максимальной точности измерения. Способ измерения влажности, основанный на измерении разности фаз между фазой зондирующего сигнала, прошедшего через контролируемый материал, и фазой сигнала, прошедшего через отрезок эталонной линии передачи, применяется во многих влагомерах, описанных, например, в монографии: Бензарь В.К., Техника СВЧ- влагометрии. - Минск: Высшая школа, 1974, 352с. Второй аналог, как и технические решения, приведенные в указанной монографии, имеет следующий недостаток:
суммарный фазовый сдвиг сигнала в датчике и подключенных к датчику отрезках линии передачи зависит не только от диэлектрической проницаемости материала, заполняющего датчик, но и от согласования волнового сопротивления линии передачи датчика с волновыми сопротивлениями подключенных к датчику отрезков линии передачи. Для разных контролируемых материалов, а также при изменении влажности контролируемого материала волновое сопротивление линии передачи датчика изменяется. Для уменьшения влияния волнового сопротивления датчика на измеряемую разность фаз во втором аналоге предложено на входе и выходе датчика установить согласующие рупоры, которые закрыты слоем, прозрачным для зондирующего электромагнитного сигнала. Но рупоры обеспечивают согласование в сравнительно узком диапазоне изменения волнового сопротивления и, кроме того, использование указанных рупоров возможно только для узкого круга задач.
В рассмотренных выше влагомерах влажность отсчитывают по величине измеренной фазы, поэтому во всем диапазоне изменения фазы от 0 до 360° фазовый детектор Должен иметь стабильную и линейную характеристику преобразования фазы в выходное напряжение. Линейность преобразования детектора зависит от амплитуды его входных сигналов. В материалах, обладающих электропроводностью, зондирующий сигнал сильно ослабляется, это влияет на линейность характеристик фазового детектора. Фазовый сдвиг сигнала в таких материалах может многократно превышать 360°.
Указанные факторы привели к тому, что известное техническое решение нашло лишь ограниченное применение и не используется для контроля материалов, обладающих высокой электропроводностью.
Известен способ и устройство измерения физических параметров материала, наиболее близкие по технической сущности к предлагаемому техническому решению, описанные в патентах RU2576552C1, DE21201500022 ИЛ и в заявке WO2016043629A1.
В известном способе, выбранном в качестве прототипа, применяют датчик, выполненный в виде отрезка длинной линии передачи с сигнальным проводником и одним или несколькими экранными проводниками, датчик заполняют контролируемым материалом и на его вход подают зондирующий высокочастотный гармонический сигнал, который формируют генератором, генератор перестраивают в диапазоне частот и при перестройке измеряют напряжение на выходе детектора, преобразующего
высокочастотный зондирующий сигнал в напряжение низкой частоты, и по минимальным значениям указанного напряжения определяют частоты гармоник, характеризующиеся тем, что на этих частотах длина сигнального проводника датчика равна или кратна половине длины волны зондирующего сигнала в материале, заполняющем датчик, причем на вход детектора зондирующий сигнал подают с входа датчика через первый
дополнительный отрезок линии передачи, в котором создают режим бегущих волн, частоту гармоники, измеренную при заполнении датчика контролируемым материалом, сравнивают с частотой гармоники, измеренной при заполнении датчика воздухом, и по этим частотам или по их отношению определяют физические параметры материала.
Известное устройство из RU2576552C1, DE212015000221U1 и в заявке
WO2016043629A1, содержит датчик, выполненный в виде отрезка длинной линии передачи с сигнальным проводником и одним или несколькими экранными
проводниками, пространство между которыми предназначено для заполнения
контролируемым материалом, подключенный к входу датчика генератор, формирующий высокочастотный гармонический зондирующий сигнал, причем генератор выполнен перестраиваемым в диапазоне частот и имеет вход управления для регулировки частоты, детектор, преобразующий высокочастотный зондирующий сигнал в напряжение низкой частоты, устройство измерения и управления, к которому подключен вход управления генератора и выход детектора, первый дополнительный отрезок двухпроводной линии передачи, вход указанного отрезка подключен к входу датчика, а его выход подключен к первому входу детектора, причем первый дополнительный отрезок линии передачи выполнен согласованным на выходе, подключенном к детектору, что обеспечено, например, подсоединением согласующего резистора параллельно выходу указанного отрезка, выход генератора подключен к входу датчика через входной отрезок линии передачи.
Как и для первого аналога, основой приведенного способа и осуществляющего его устройства является прямой и абсолютный метод измерения диэлектрической
проницаемости, основанный на измерении частот гармоник зондирующего сигнала и пересчете полученного значения диэлектрической проницаемости в значение влажности контролируемого материала. Но для материалов, обладающих электропроводностью, данное техническое решение не позволяет получить высокую точность измерения.
Причины, обуславливающие указанный недостаток, те же, что и для технического решения, выбранного в качестве первого аналога. Эти причины подробно описаны выше, в разделе, в котором рассмотрен первый аналог.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью предлагаемого технического решения является повышение точности измерения физических параметров материалов, обладающих электропроводностью, в том числе материалов, имеющих абразивные свойства, а также сыпучих материалов с крупными фракциями.
Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения физических параметров материала, в котором применяют датчик, выполненный в виде отрезка длинной линии передачи с сигнальным проводником и одним или несколькими экранными проводниками, датчик заполняют контролируемым материалом и на его вход подают зондирующий высокочастотный гармонический сигнал, который формируют генератором, генератор перестраивают в диапазоне частот и при перестройке измеряют напряжение на выходе детектора, преобразующего высокочастотный зондирующий сигнал в напряжение низкой частоты, и по минимальным значениям указанного напряжения определяют частоты гармоник, характеризующиеся тем, что на этих частотах длина сигнального проводника датчика равна или кратна половине длины волны зондирующего сигнала в материале, заполняющем датчик, причем на вход детектора зондирующий сигнал подают с входа датчика через первый дополнительный отрезок линии передачи, в котором создают режим бегущих волн, частоту гармоники,
измеренную при заполнении датчика контролируемым материалом, сравнивают с частотой гармоники, измеренной при заполнении датчика воздухом, и по этим частотам или по их отношению определяют физические параметры материала, согласно
предлагаемому техническому решению, частоты гармоник определяют посредством сравнения фазы зондирующего сигнала на входе датчика с фазой зондирующего сигнала на выходе датчика, сравнение фаз производят в детекторе, выполненном в виде фазового дискриминатора, у которого выходное напряжение достигает минимума, когда его входные сигналы или синфазны или противофазны, зондирующий сигнал с выхода датчика подают на второй вход детектора через введенный в состав влагомера второй дополнительный отрезок линии передачи, электрическая длина которого выбрана равной электрической длине первого дополнительного отрезка, причем во втором
дополнительном отрезке создают режим бегущих волн. Упомянутые физические параметры материала представляют собой диэлектрическую проницаемость, влажность материала, концентрацию смеси веществ, плотность, показатель преломления материала. В предложенном способе, также как в рассмотренных ранее первом аналоге и прототипе, обеспечивается прямой и абсолютный метод измерения диэлектрической проницаемости (показателя преломления), основанный на измерении частот гармоник зондирующего сигнала и пересчете полученного значения диэлектрической
проницаемости в значение влажности контролируемого материала (плотности или концентрации).
Для сравнения: во втором аналоге измерение диэлектрической проницаемости - косвенное и общая ошибка измерения влажности определяется уже двумя факторами: ошибкой измерения диэлектрической проницаемости и ошибкой перевода
диэлектрической проницаемости во влажность. В предлагаемом техническом решении ошибка измерения диэлектрической проницаемости сведена к минимуму и итоговая ошибка измерения влажности определяется лишь только одним фактором - точностью перевода в значение влажности измеренной диэлектрической проницаемости. Таким образом, предложенное техническое решение в принципе точнее известных решений, основанных на косвенном измерении диэлектрической проницаемости.
Поставленная цель достигается также тем, что в предложенном способе генератор перестраивают в диапазоне частот дискретными шагами, на каждом шаге перестройки определяют напряжение на выходе детектора, и по частотной зависимости указанного напряжения, измеренной во всем диапазоне частот перестройки генератора, определяют частоты гармоник.
Поставленная цель достигается также тем, что в предложенном способе
сравнивают уровни (амплитуды) зондирующего сигнала на входе и выходе датчика, по их отношению определяют диэлектрические потери в контролируемом материале и по полученному значению потерь уточняют измеряемые физические параметры.
Указанный способ реализуют следующим образом: по измеренному отношению частот гармоник определяют действительную составляющую показателя преломления материала; по отношению уровней зондирующего сигнала на входе и выходе датчика определяют мнимую составляющую показателя преломления; по двум найденным параметрам вычисляют комплексную диэлектрическую проницаемость и затем по ее значению определяют влажность материала (или другие физические параметры) с повышенной точностью. Предлагаемое решение, заключающееся в дополнительном измерении амплитуд сигнала, позволяет определить комплексную диэлектрическую проницаемость даже при высоком тангенсе диэлектрических потерь, превышающем единицу. Применительно к устройству, осуществляющему предложенный способ, поставленная цель достигается тем, что в устройстве измерения физических параметров материала, содержащем датчик, выполненный в виде отрезка длинной линии передачи с сигнальным проводником и одним или несколькими экранными проводниками, пространство между которыми предназначено для заполнения контролируемым материалом, подключенный к входу датчика генератор, формирующий высокочастотный гармонический зондирующий сигнал, причем генератор выполнен перестраиваемым в диапазоне частот и имеет вход управления для регулировки частоты, детектор, преобразующий высокочастотный зондирующий сигнал в напряжение низкой частоты, устройство измерения и управления, к которому подключен вход управления генератора и выход детектора, первый дополнительный отрезок двухпроводной линии передачи, вход указанного отрезка подключен к входу датчика, а его выход подключен к первому входу детектора, причем первый дополнительный отрезок линии передачи выполнен согласованным на выходе, подключенном к детектору, что обеспечено, например, подсоединением согласующего резистора параллельно выходу указанного отрезка, выход генератора подключен к входу датчика или непосредственно или через входной отрезок линии передачи, согласно предлагаемому техническому решению, упомянутый детектор выполнен в виде фазового дискриминатора, у которого выходное напряжение достигает минимума, когда его входные высокочастотные сигналы синфазны или противофазны, введен второй дополнительный отрезок двухпроводной линии передачи, вход которого подключен к выходу датчика, а выход второго дополнительного отрезка подключен ко второму входу детектора, причем электрическая длина второго дополнительного отрезка равна электрической длине первого дополнительного отрезка и второй дополнительный отрезок линии передачи также выполнен согласованным на выходе, подключенном к детектору. В качестве двухпроводной линии для указанных дополнительных отрезков и входного отрезка может бьггь применен коаксиальный кабель.
Поставленная цель достигается также тем, что 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 контролируемого материала по значениям частот гармоник зондирующего сигнала.
Частоты гармоник определяют по минимуму напряжения на выходе детектора
следующим образом: снимают весь спектр выходного сигнала детектора,
представляющий собой частотную зависимость напряжения детектора во всем диапазоне частот перестройки генератора, затем в этом спектре находят минимумы и определяют значения частот в этих минимумах.
Поставленная цель достигается также тем, что в состав устройства измерения и управления введен усилитель с нелинейной амплитудной характеристикой,
обеспечивающий усиление выходного напряжения детектора таким образом, что напряжение низкого уровня усиливается, а напряжение высокого уровня ограничивается. При таком преобразовании выходного сигнала детектора пики минимумов в спектре обостряются, что позволяет повысить точность измерения положения минимума на оси частот.
Поставленная цель достигается также тем, что в состав детектора включено устройство для измерения и вычисления отношения уровней зондирующего сигнала на входе и выходе датчика, выход указанного устройства подключен к устройству измерения и управления, причем процессор устройства измерения и управления вычисляет физические параметры материала по значениям частот гармоник и по величине отношения уровней зондирующего сигнала на входе и выходе датчика.
Поставленная цель достигается также тем, что подключение первого
дополнительного отрезка линии передачи к входу датчика произведено через делитель мощности, выполненный, например, в виде резистора, который включен между входом датчика и входом первого дополнительного отрезка линии передачи. Указанный резистор образует с входным сопротивлением первого дополнительного отрезка делитель напряжения. Делитель мощности выполняет две функции:
- обеспечивает развязку входных цепей датчика от первого дополнительного отрезка, тем самым исключает влияние этого отрезка на фазу сигнала на выходе датчика;
- уменьшает мощность сигнала на втором входе детектора.
Необходимость уменьшения мощности сигнала на втором входе детектора обусловлена тем, что для измерения материалов с высокой проводимостью приходится сильно увеличить мощность генератора. С помощью делителя мощности ограничивают уровень сигнала на втором входе детектора на допустимом уровне.
Поставленная цель достигается также тем, что экранный проводник датчика выполнен в виде трубы, а сигнальный проводник датчика выполнен в виде
металлического прутка, который расположен внутри трубы или параллельно ее оси или перпендикулярно к оси трубы вдоль диаметра, на концах сигнальный проводник закреплен в электровводах, содержащих диэлектрический изолятор, каждый из электровводов расположен либо на боковой поверхности трубы, либо на торцевой заглушке трубы, соответственно, сигнальный проводник датчика имеет либо П-образную форму, либо Г-образную форму, либо форму прямого отрезка, входной и дополнительные отрезки линии передачи выполнены из коаксиального кабеля и подключены к
сигнальному проводнику датчика через указанные электровводы.
Поставленная цель достигается также тем, что на внешней поверхности трубы соосно с электровводами установлены два металлических корпуса, выполненные в виде стаканов с отверстием в дне, причем, электровводы установлены в указанных отверстиях, стаканы соединены металлическими трубками с дополнительным корпусом, внутри которого установлен детектор, дополнительные отрезки линии передачи размещены в указанных трубках.
Поставленная цель достигается также тем, что экранный проводник датчика выполнен в виде щита, а сигнальный проводник датчика выполнен в виде металлического прутка, который установлен на щите и имеет П-образную форму, на концах сигнальный проводник закреплен в электровводах, содержащих диэлектрический изолятор, указанные электровводы закреплены в щите, входной и дополнительные отрезки линии передачи выполнены из коаксиального кабеля и подключены к сигнальному проводнику датчика через указанные электровводы.
Поставленная цель достигается также тем, что на внешней поверхности щита соосно с электровводами установлены два металлических корпуса, выполненные в виде стаканов с отверстием в дне, причем электровводы установлены в указанных отверстиях, внутри первого металлического корпуса, в котором находится выход сигнального проводника датчика, установлен детектор, стаканы соединены металлической трубкой, внутри которой размещен первый дополнительный отрезок линии передачи, второй дополнительный отрезок линии передачи размещен в первом металлическом корпусе.
Поставленная цель достигается также тем, что проводники входного и
дополнительных отрезков линий передачи и проводники датчика выполнены из металла, устойчивого к воздействию высоких температур, а электрическое соединение указанных проводников выполнено с помощью высокотемпературного припоя.
Поставленная цель достигается также тем, что в сигнальном проводнике, выполненном в виде металлического прутка, на его торце выполнено отверстие вдоль оси прутка, внутри отверстия установлен датчик температуры, например, термопара, провода датчика температуры подключены к устройству измерения и управления, причем на выходе из отверстия в прутке указанные провода намотаны на ферритовое кольцо.
Провода датчика температуры выполнены изолированными от сигнального и экранного проводников. Благодаря намотке проводов на ферритовое кольцо они образуют дроссель, который имеет высокое сопротивление на частотах зондирующего сигнала, этим устраняется влияние проводов термодатчика на зондирующий сигнал. Измерение температуры контролируемого материала позволяет повысить точность измерения его влажности, так как диэлектрическая проницаемость зависит не только от содержания в материале воды, но и от его температуры.
Поставленная цель достигается также тем, что экранный и сигнальный проводники датчика выполнены в виде параллельных стержней, причем экранный проводник может содержать либо один стержень, либо несколько параллельных стержней, в одном из которых выполнено вдоль его длины сквозное отверстие, все стержни закреплены своими концами на первом и втором металлических основаниях, причем стержни, образующие экранный проводник, закреплены на основаниях так, что образуют с основаниями электрический контакт, сигнальный проводник закреплен своими концами на основаниях посредством электровводов, содержащих диэлектрический изолятор, входной и дополнительные отрезки линии передачи выполнены из коаксиального кабеля и подключены к сигнальному проводнику датчика через указанные электровводы, при этом входной и первый дополнительный отрезки линии передачи подключены к входу датчика со стороны первого основания, второй дополнительный отрезок линии передачи подключен к выходу датчика со стороны второго металлического основания и выведен на сторону первого основания через упомянутое отверстие в стержне.
Поставленная цель достигается также тем, что экранный проводник датчика выполнен в виде трубы с прорезями в ее стенках, а сигнальный проводник датчика выполнен в виде металлической трубки, которая расположена внутри упомянутой трубы параллельно ее оси, на концах сигнальный проводник закреплен в электровводах, содержащих диэлектрический изолятор, электровводы расположены на торцевых стенках трубы, подключение входного и дополнительных отрезков линии передачи к сигнальному проводнику датчика произведено через указанные электровводы, входной и
дополнительные отрезки линии передачи выполнены из коаксиального кабеля, второй дополнительный отрезок линии передачи, подключенный к выходу датчика, размещен внутри трубки, образующей сигнальный проводник, на выходе из трубки со стороны входа датчика указанный отрезок коаксиального кабеля намотан на ферритовое кольцо.
Предпочтительным назначением предлагаемого технического решения является измерение влажности сыпучих, пастообразных и жидких материалов, обладающих высокой электропроводностью. К таким материалам, относятся в частности:
- каменный уголь, в том числе антрацит;
- руда, железорудные концентраты;
- солевая пульпа (твердая поваренная соль в ее насыщенном растворе); - иловые осадки сточных вод;
- шламы в производстве цемента;
- нефтяной шлам, сырая нефть;
- минеральные удобрения.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется фиг.1- 10.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
На фиг.1-8 показана конструкция устройства измерения физических параметров материала в разных вариантах исполнения.
На фиг.9 и 10 показаны спектры выходного сигнала детектора и соответствующие им возможные варианты электрических схем детектора.
На фиг.11 и 12 показан вариант датчика влагомера, который предназначен для контроля сыпучих материалов в бункерах, в том числе материалов с крупными фракциями и обладающих электропроводностью, например, антрацита, руды.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предложенное устройство измерения физических параметров материала характеризуется следующими признаками. Устройство измерения (влагомер) содержит датчик, выполненный в виде отрезка длинной линии передачи, образованной сигнальным проводником 1 и одним или несколькими экранными проводниками 2. Пространство между проводниками 1 и 2 предназначено для заполнения контролируемым материалом. Датчик содержит вход 3 и выход 4. Вход 3 датчика подключен к выходу генератора 5 высокочастотного гармонического зондирующего сигнала, причем генератор выполнен перестраиваемым в диапазоне частот и имеет вход управления для регулировки частоты. Предложенное устройство также содержит детектор 6 и устройство 7 измерения и управления, к которому подключен вход управления генератора 5 и выход детектора 6. Детектор 6 выполнен в виде фазового дискриминатора. Детектор 6 преобразует высокочастотный зондирующий сигнал, снимаемый с входа 3 и выхода 4 датчика, в выходное напряжение низкой частоты, причем выходное напряжение достигает минимума, когда входные сигналы детектора 6 синфазны или противофазны. Детектор 6 подключен к датчику с помощью двух отрезков 8, 9 двухпроводной линии передачи, в качестве которой, как показано на фиг.1-10, применен коаксиальный кабель. При этом первый вход детектора 6 соединен с входом 3 датчика посредством первого отрезка 8 коаксиального кабеля, второй вход детектора 6 соединен с выходом 4 датчика
посредством второго отрезка 9. Дополнительные отрезки 8 и 9 имеют одинаковую электрическую длину. Отрезки 8, 9 на выходах, подсоединенных к входам детектора 6, выполнены согласованными, что достигается, например, подсоединением согласующих резисторов 10 и 11 параллельно выходам указанных отрезков. Сопротивление резисторов 10, 1 1 выбрано таким образом, что сопротивление входов детектора 6 вместе с
подключенными к ним параллельно указанными резисторами, было равно волновому сопротивлению коаксиальных кабелей, из которых выполнены отрезки 8, 9. Указанное согласование обеспечивает для передаваемых по дополнительным отрезкам 8, 9 сигналов режим бегущих волн. В результате отношение уровней сигналов на входах и выходах отрезков 8, 9 остается неизменным, а при одинаковой электрической длине и разность фаз сигналов также сохраняется.
Выход генератора 5 подключен к входу 3 датчика или непосредственно, или через входной отрезок 12 линии передачи, в качестве которой также может быть использован коаксиальный кабель. Подключение входного отрезка 12 и дополнительных отрезков 8, 9 выполнено следующим образом: сигнальные проводники отрезков 8, 9, 12 соединены с сигнальным проводником 1 датчика, экранные проводники указанных отрезков соединены с экранным проводником 2 датчика. Подключение первого отрезка 8 к входу 3 датчика может быть произведено через резистор 13, выполняющий функцию делителя мощности. Коэффициент деления напряжения этого делителя определяется следующим выражением:
Figure imgf000015_0001
где Uifl — сл in R + РсаЪ напряжение на входе делителя; и out— напряжение на выходе делителя;
РсаЪ— волновое сопротивление отрезка 8 линии передачи;
R— сопротивление резистора 13.
Для выравнивания электрических длин каналов, образованных первым и вторым дополнительными отрезками 8, 9, вход второго дополнительного отрезка 9 может быть подсоединен к выходу 4 датчика через дополнительный резистор 14, аналогичный по размерам резистору 13 на входе первого отрезка 8, но сопротивление резистора 14 должно быть мало или равно нулю.
Как показано на фиг.1-8, сигнальный проводник 1 выполнен в виде
металлического прутка, который на концах закреплен в электровводах 15, содержащих диэлектрический изолятор. Электровводы 15 служат для герметизации датчика и для передачи зондирующего сигнала в область, занимаемую контролируемым материалом. На фиг.2-4 показаны конструкции влагомера (устройства измерения) для контроля жидких и пастообразных материалов в трубопроводе, в потоке под давлением. В этом влагомере экранный проводник 2 выполнен в виде трубы, а сигнальный проводник 1 выполнен в виде металлического прутка, который расположен внутри трубы 2. Возможны четыре варианта выполнения прутка 1 :
а) пруток расположен внутри трубы параллельно ее оси и имеет П-образную форму, концы прутка закреплены в электровводах 15, расположенных на боковой поверхности трубы (этот вариант представлен на фиг.2);
б) пруток расположен внутри трубы параллельно ее оси и имеет Г-образную форму, концы прутка закреплены в электровводах 15, один из которых расположен на боковой поверхности трубы, а второй - на торцевой заглушке трубы (этот вариант представлен на фиг.З);
в) пруток расположен внутри трубы параллельно ее оси и имеет форму прямого отрезка, концы прутка закреплены в электровводах 15, расположенных на торцевых заглушках с противоположных концов трубы;
г) пруток расположен внутри трубы перпендикулярно ее оси вдоль диаметра трубы, имеет форму прямого отрезка, концы прутка закреплены в электровводах 15, расположенных на боковой стенке трубы с противоположных ее сторон (этот вариант представлен на фиг.4).
На фиг.2-4 показаны варианты конструкции влагомера, у которого на внешней поверхности трубы 2 соосно с электровводами 15 установлены два металлических корпуса 16, выполненные в виде стаканов с отверстием в дне, причем электровводы 15 установлены в указанных отверстиях. На фиг.2 показан вариант, в котором к корпусам 16 с помощью металлических трубок 17 прикреплен дополнительный корпус 18. В корпусе 18 размещен детектор 6, а отрезки 8, 9 кабелей подведены к детектору 6 через трубки 17. Влагомер такой конструкции может использоваться для контроля материалов с
экстремальными температурами. Электронные компоненты детектора 6 термически изолированы от контролируемого материала. Генератор 5 и устройство 7 измерения и управления размещаются в отдельном корпусе 27 на расстоянии от датчика и соединены с датчиком только кабелями.
На фиг.5 показан влагомер в варианте исполнения, предназначенном для контроля сыпучих материалов в бункерах, лотках, в шнеках или на лентах конвейера. У этого варианта экранный проводник 2 выполнен в виде щита, а сигнальный проводник 1 выполнен в виде металлического прутка П-образной формы и закреплен на щите 2 посредством электровводов 15, содержащих диэлектрический изолятор. Входной отрезок 12 и дополнительные отрезки 8, 9 выполнены из коаксиального кабеля и подключены к сигнальному проводнику 1 датчика через указанные электровводы 15. На внешней поверхности щита 2 соосно с электровводами 15 установлены два металлических корпуса 16, выполненные в виде стаканов с отверстием в дне, причем, электровводы 15
установлены в указанных отверстиях. Внутри первого металлического корпуса 16, в котором находится выход 4 сигнального проводника 1, установлен детектор 6, стаканы соединены металлической трубкой 17. Внутри трубки 17 размещен отрезок 8
коаксиального кабеля, второй отрезок 9 коаксиального кабеля размещен в первом металлическом корпусе 16.
На торце прутка 1 вдоль его оси выполнено отверстие 18. Внутри отверстия 18 установлен датчик температуры 19 (например, термопара), подключенный к устройству 7 измерения и управления. Изолированные провода датчика 19 на выходе из отверстия 18 намотаны на ферритовое кольцо 20, образующее дроссель для токов высокой частоты. Такое решение исключает влияние датчика температуры 19 на измерения зондирующего сигнала.
На фиг.6 показан вариант датчика погружного влагомера, который может быть использован для контроля сыпучих материалов в гуртах, амбарах, вагонах, в кузовах автомашин, а также при хранении и переработке сыпучих материалов непосредственно на местах отбора проб. Этот же вариант может быть применен для контроля жидких и пастообразных материалов в резервуарах. У этого варианта влагомера сигнальный 1 и экранный 2 проводники датчика выполнены в виде параллельных стержней, причем экранный проводник 2 может содержать либо один стержень, либо несколько
параллельных стержней. В одном из стержней 2 выполнено вдоль его длины сквозное отверстие. Все стержни закреплены своими концами на первом и втором металлических основаниях 21 и 22, причем стержни, образующие экранный проводник 2, закреплены так, что образуют с основаниями 21 и 22 электрический контакт. Сигнальный проводник 1 закреплен своими концами на основаниях 21, 22 посредством электровводов 15, содержащих диэлектрический изолятор. Отрезки 8, 9 и 12 линии передачи выполнены из коаксиального кабеля и подключены к сигнальному проводнику 1 датчика через электровводы 15. Входной отрезок 12 и первый отрезок 8 кабеля подключены к входу 3 датчика со стороны первого основания 21, а второй отрезок 9 подключен к выходу 4 датчика со стороны второго металлического основания 22 и выведен на сторону первого основания 21 через упомянутое отверстие в стержне 2.
На фиг.7 и 8 показан вариант датчика погружного влагомера, который
предназначен для контроля жидких материалов в резервуарах и в трубопроводах. У этого варианта экранный проводник 2 датчика образован металлической трубой, причем в стенках трубы выполнены прорези 23, через которые происходит заполнение датчика контролируемым материалом. Сигнальный проводник 1 датчика выполнен в виде металлической трубки, которая расположена внутри трубы 2 параллельно ее оси. На концах трубка 1 закреплена в электровводах 15, содержащих диэлектрический изолятор. Электровводы 15 расположены на торцевых стенках трубы 2. Подключение отрезков 8, 9 и 12 линии передачи к сигнальному проводнику датчика произведено через указанные электровводы, причем указанные отрезки выполнены из коаксиального кабеля, содержащего изолирующую оболочку. Отрезок 9 кабеля, подключенный к выходу 4 датчика, размещен внутри трубки 1. На выходе из трубки 1 со стороны входа 3 датчика отрезок 9 коаксиального кабеля намотан на ферритовое кольцо 20. Такое решение обеспечивает подавление паразитной электромагнитной связи между входом 3 датчика и экранным проводником коаксиального кабеля 9. Для установки на трубопроводе датчик снабжен фланцем 24. Предлагаемый датчик может применяться также для контроля жидких материалов в резервуарах, в этом случае вместо фланца 24 на датчике выполняют штуцер с резьбовым соединением для крепления датчика к трубе, причем выходящие из датчика кабели пропускают через указанную трубу.
На фиг.11 и 12 показан вариант датчика влагомера, который предназначен для контроля сыпучих материалов в бункерах, в том числе материалов с крупными
фракциями и обладающих электропроводностью, например, антрацита, руды.
У этого варианта экранным проводником 2 датчика служат металлические стенки 28 бункера. Сигнальный проводник 1 датчика выполнен в виде металлической трубы, на концах указанной трубы закреплены первый 29 и второй 30 металлические корпуса, выполненные в виде стаканов с отверстием в дне, причем первый металлический корпус 29 размещен на входе 3 датчика, а второй металлический корпус 30 размещен на выходе 4 датчика. Крепление корпусов 29, 30 к концам трубы 1 выполнено посредством диэлектрических изоляторов, установленных в отверстиях корпусов 29, 30 и образующих в месте крепления герметичные электровводы 15. Металлические корпуса 29, 30 закреплены в отверстиях, выполненных в стенках 28 бункера, причем указанное крепление обеспечивает электрический контакт указанных корпусов с металлическими стенками (28) бункера. В результате такого решения стенки 28 бункера выполняют функцию экранного проводника 2.
Первый 8 и второй 9 дополнительные отрезки линии передачи выполнены из коаксиального кабеля. Второй дополнительный отрезок 9 размещен внутри
металлической трубы 1. На выходе из трубы 1 со стороны входа 3 датчика указанный отрезок 9 намотан на ферритовое кольцо 20. Такое решение обеспечивает подавление паразитной электромагнитной связи между входом 3 датчика и экранным проводником второго отрезка 9. В отсутствии ферритового кольца 20 паразитная емкость между экранным проводником коаксиального кабеля 9 и металлическими конструкциями шунтирует вход 3 датчика и приводит к ошибкам измерения.
Второй дополнительный отрезок 9 подключен к выходу 4 датчика. Указанное подключение может быть выполнено в двух вариантах, показанных на фиг. 11 и 12.
По первому варианту (показан фиг.11) центральный проводник 31 коаксиального кабеля 9 электрически подсоединен к торцу трубы 1, а его экранный проводник 32 электрически подсоединен к второму металлическому корпусу 30. Это соединение характеризуется тем, сигнал с выхода 4 датчика поступает на вход отрезка 9 без изменения фазы. Для такого соединения большая паразитная емкость между экранным проводником кабеля 9 и внутренней поверхностью трубы 1 оказывается подключенной к выходу 4 датчика, то есть шунтирует датчик на выходе 4. Для подавления этого эффекта, приводящего к ошибкам в измерении, коаксиальный отрезок 9 кабеля на выходе из трубы 1 со стороны выхода датчика 4 намотан на ферритовое кольцо 33. Образованный этой намоткой дроссель исключает указанное выше паразитное шунтирование.
По второму варианту (показан на фиг.12) центральный проводник 31
коаксиального кабеля 9 электрически подсоединен к корпусу 30, а экранный проводник 32 кабеля 9 электрически подсоединен к торцу трубы 1. Для этого соединения большая паразитная емкость между экранным проводником кабеля 9 и внутренней поверхностью трубы 1 оказывается закороченной соединением указанных проводников и не влияет на измерения. Вторая особенность предложенного соединения: сигнал с выхода 4 датчика поступает на вход отрезка 9 с переворотом фазы на 180°. Для фазового дискриминатора 6 с характеристикой, показанной на фиг.10, такой дополнительный переворот фазы приводит к тому, что частота первого регистрируемого резонанса увеличиваются в 2 раза.
Влагомер описанной конструкции имеет ряд преимуществ:
- измеряемый объем материала очень велик, может достигать 1 куб.м и более, что исключает влияние на измерения неоднородности в распределении влаги по объему, точность измерения увеличивается;
- на измерения не влияют налипания материала на трубу 1, так как на нее не может налипнуть более, чем несколько литров материала, но по отношению к контролируемому объему такое количество достаточно мало и не приведет к ошибке в измерениях;
- размеры датчика могут достигать 1м и более, соответственно, длина волны электромагнитного зондирующего сигнала в контролируемом материале составляет 2м и более, следовательно, размеры фракций контролируемого материала могут достигать 20см и более. Здесь следует пояснить: при зондировании радиоволнами точность измерения материалов достигается при выполнении условия, что длина волны не менее, чем 8...10 раз превышает размеры фракций материала.
Для обеспечения простого монтажа датчика в бункере с возможностью его быстрого демонтажа предложено следующее решение:
для крепления металлических корпусов 29, 30 к металлическим стенкам 28 бункера применены дополнительные металлические стаканы 34 с отверстием в дне, приваренные к стенкам 28 бункера. В указанных стаканах 34 размещены и
зафиксированы металлические корпуса 28 и 29, причем со стороны входа 3 датчика первый металлический корпус 29 прижат к дну дополнительного стакана 34 и
зафиксирован в этом положении с помощью фланцев 24, а со стороны выхода 4 датчика второй металлический корпус 30 прижат к дну дополнительного стакана 34 и
зафиксирован в этом положении с помощью резьбовой втулки 35. На фиг.9 и 10 показаны два возможных варианта спектров сигналов, по которым определяют частоты гармоник: графики зависимости от частоты напряжения ^et на выходе детектора 6 и напряжения
Ua на выходе усилителя 25 с нелинейной характеристикой. На этих же фигурах приведены эквивалентные схемы детектора 6, выполненного в виде фазового
дискриминатора, причем на фиг.9 показаны спектр и схема детектора, у которого минимум выходного сигнала достигается при синфазных входных сигналах. На фиг.10 показаны спектр и схема детектора, у которого минимум выходного сигнала достигается при противофазных входных сигналах. Для формирования такой характеристики на входах детектора 6 включены трансформаторы 26, которые обеспечивают сдвиг фаз на 180° одного входного сигнала детектора относительно его второго сигнала, для этого вторичная обмотка одного трансформатора 26 включена синфазно с его первичной обмоткой, а у другого трансформатора 26 вторичная обмотка включена противофазно с первичной обмоткой.
Изготовленные по данному техническому решению образцы влагомеров выполнены как сборка из двух модулей: датчика и электронного блока 27. В состав электронного блока входят генератор 5 и устройство 7 измерения и управления. Такое решение имеет то достоинство, что электронные блоки для всех вариантов влагомера - идентичные, взаимозаменяемые. Влагомеры отличаются только датчиками, конструкция которых зависит от измеряемого материала и условий измерения (в трубопроводе, в резервуаре, в бункере, в лотке и т.п.). Устройство измерения физических параметров материала работает следующим образом. Генератор 5 перестраивают в диапазоне рабочих частот посредством устройства 7 измерения и управления. Сформированный генератором 5 гармонический
зондирующий сигнал подают на вход 3 датчика либо непосредственно, либо через отрезок 12 линии передачи. Фазу зондирующего сигнала, прошедшего на выход 4 датчика, сравнивают с фазой сигнала на входе 3 датчика. Указанное сравнение фаз производят в детекторе 6. Напряжения зондирующего сигнала с входа 3 и с выхода 4 датчика подают на входы детектора 6 через дополнительные отрезки 8, 9 линии передачи. При перестройке генератора 5 измеряют напряжение на выходе детектора 6 и находят частоту или несколько частот, на которых напряжение на выходе детектора 6 достигает минимума. Эти частоты являются частотами гармоник.
Частоты гармоник характеризуются тем, что на этих частотах длина сигнального проводника 1 датчика равна или кратна половине длины волны зондирующего сигнала в материале, заполняющем датчик. Такое определение частоты гармоники тождественно следующему определению: на частоте гармоники фазовый сдвиг зондирующего сигнала по длине датчика равен или кратен 180°. Для точного измерения фазового набега зондирующего сигнала, приходящегося на датчик, отрезки 8, 9 линии имеют равные электрические длины и в них создан режим бегущих волн.
Необходимо отметить главную особенность предложенного технического решения, принципиально отличающую его от известных фазовых методов измерения влажности. В известных решениях фактически измеряют суммарный фазовый сдвиг зондирующего сигнала, прошедшего через датчик с контролируемым материалом и через подсоединенные к датчику отрезки линии передачи. Но суммарный фазовый сдвиг сигнала зависит от соотношения волновых сопротивлений линии передачи датчика и подключенных к датчику отрезков линии передачи. Для разных контролируемых материалов, а также при изменении влажности контролируемого материала волновое сопротивление линии передачи датчика меняется. В результате по измеренной фазе нельзя точно определить величину фазового набега, приходящегося непосредственно на отрезок линии передачи датчика. Такая неопределенность в измерениях не позволяет точно измерить диэлектрические параметры материала.
В предложенном техническом решении указанная неопределенность в измерениях устранена благодаря использованию следующего свойства двух включенных каскадно отрезков длинных линий передачи: если длина первого (входного) отрезка равна или кратна половине длины волны, то на суммарный фазовый сдвиг сигнала на выходе второго отрезка не влияет волновое сопротивление первого отрезка.
Это свойство длинных линий и является основой предложенного технического решения. Данную особенность предложенного решения можно сформулировать и так: измерения диэлектрических параметров производят в момент, когда на эти измерения не влияет соотношение волновых сопротивлений линии передачи датчика и подключенных к датчику отрезков линии передачи.
По длине сигнального проводника 1 датчика и частоте зондирующего сигнала, на которой укладывается на этой длине известное целое число полуволн, можно определить фазовую скорость зондирующего сигнала в материале датчика и по ней определить диэлектрическую проницаемость и остальные физические параметры. В предложенном решении, как и в первом аналоге, а также как и в прототипе, диэлектрические параметры находят путем измерения частот гармоник при заполнении датчика контролируемым материалом и при заполнении его воздухом.
По отношению указанных частот гармоник определяют показатель преломления
У1 материала, точнее, его действительную составляющую, с помощью следующего выражения:
(2) где f 'M
Figure imgf000022_0001
частота гармоники с номером
Figure imgf000022_0002
при заполнении датчика
контролируемым материалом;
— частота гармоники с номером I при заполнении датчика воздухом;
I — номер гармоники.
Номер гармоники ΐ равен количеству полуволн, «укладывающихся» на длине L сигнального проводника 1 датчика:
Figure imgf000022_0003
где Я^[— длина волны в среде материала, заполняющего датчик, причем номер гармоники I — 1, 2, 3, ... . Измерения частот гармоник выполняют поочередно при заполнении датчика воздухом и при заполнении его контролируемым материалом. В зависимости от ширины диапазона перестройки в результате измерений можно получить значения частот ряда гармоник. Измерение частоты гармоники при воздушном заполнении датчика достаточно выполнить один раз при изготовлении прибора и эти данные занести в память процессора устройства измерения 7. При эксплуатации влагомера повторное измерение при воздушном заполнении может потребоваться только для метрологической поверки.
Для обеспечения высокой точности предпочтительнее работа с низшими гармониками. В большинстве практических случаев достаточно проводить измерения только на первой или второй гармониках (/ = 1 или 2). Для измерений на второй гармонике необходим детектор 6, у которого минимум выходного напряжения Udet достигается при синфазных сигналах на входах, то есть когда его входные сигналы имеют фазовый сдвиг f =360°, 720°, ... . Этот вариант показан на фиг.9. На фиг.10 представлен спектр и вариант детектора при измерении на первой гармонике. У показанного на фиг.10 детектора 6 минимум выходного сигнала достигается, когда его входные сигналы противофазны, то есть сдвиг фаз между ними равен f =180°, 540°, ... . Фазовый дискриминатор, схема которого показана на фиг.9 и 10, содержит полупроводниковый диод, который подключен к цепям зондирующего сигнала через разделительные конденсаторы. Выходное напряжение дискриминатора снимается непосредственно с полупроводникового диода и передается на выход детектора 6 через резисторы, сопротивление которых на порядок больше, чем сопротивления резисторов 10, 11.
Отметим, что представленные на фиг.9, 10 схемы фазового дискриминатора - упрощенные, но выполненный буквально по этим схемам детектор работоспособен.
В отличие от требований, предъявляемых к фазовому детектору известных технических решений (второй аналог), к фазовому дискриминатору по данному техническому предложению предъявляются иные требования, в частности, линейность преобразования разности фаз входных сигналов в дискриминаторе не имеет значения. Соответственно, и принцип контроля совпадения фаз (или противофазности) входных сигналов иной, чем при непрерывном измерении фазы. Точность фиксации совпадения фаз (противофазности) сигналов намного выше, чем точность измерения произвольного значения фазы в диапазоне 0 - 360°. Поэтому точность измерения физических параметров по предлагаемому решению значительно выше и обеспечивается, в том числе, и для материалов, значительно ослабляющих зондирующий сигнал. В предлагаемом решении одновременно решена проблема неоднозначности измерения фазы, присущая второму аналогу: измеряемая на фиксированной частоте фаза сигнала, прошедшего через материал с высокой диэлектрической проницаемостью, может многократно превышать 360°. В предлагаемом техническом решении эта проблема решается выбором нижней частоты диапазона перестройки генератора: указанная частота должна быть ниже, чем частота первой (или второй) гармоник. Если из-за высокой диэлектрической проницаемости материала это требование выполнить не удается, то применяют решение, описанное в патентах первого аналога и прототипа: показатель преломления 7? определяют через разность частот соседних гармоник.
Приведенный в формуле (2) показатель преломления 77 в технической литературе также называют коэффициентом замедления или коэффициентом укорочения длины волны. Этот параметр связан с диэлектрической проницаемостью £г материала при низких диэлектрических потерях следующим соотношением:
Figure imgf000024_0001
По измеренному значению 7 (или г ) определяют влажность материала или другие физические параметры, влияющие на диэлектрическую проницаемость, например, концентрацию смеси веществ, плотность. Для вычислений используются записанные в процессор устройства 7 калибровочные таблицы, связывающие измеряемый параметр со значениями 77 (или г ). Для определения влажности одновременно измеряют температуру контролируемого материала. В изготовленных по данному техническому решению влагомерах калибровочные таблицы записаны для четырех значений
температур из возможного рабочего диапазона. Построение калибровочной таблицы для конкретной температуры влагомер производит автоматически путем интерполяции между таблицами с ближайшими значениями температур, записанных в память
процессора устройства 7.
При высокой электропроводности контролируемого материала его
диэлектрические параметры становятся комплексными. Комплексную диэлектрическую проницаемость
Figure imgf000024_0002
определяют через комплексный показатель преломления У1 на основе следующих соотношений:
Figure imgf000024_0003
Действительную часть комплексного показателя преломления — - k определяют по формуле (2), мнимую составляющую к определяют по ослаблению зондирующего сигнала в контролируемом материале. Для измерения к в состав детектора 6 включено устройство для измерения и вычисления отношения напряжений
U3 , U4 зондирующего сигнала, соответственно, на входе 3 и выходе 4 датчика. По отношению U3 /U4 , характеризующему ослабление зондирующего сигнала в материале, определяют мнимую составляющую к по формуле:
г
Figure imgf000025_0001
хе;
L— длина сигнального проводника 1 датчика.
При расчете отношения £/3 /С/4 учитывают коэффициент деления напряжения, приведенный в выражении (1).
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет определить комплексные значения диэлектрических параметров, что повышает точность измерения материалов, обладающих электрической проводимостью.
Поиск минимумов в спектре выходного сигнала детектора 6 и вычисление по ним частот гармоник может выполняться по одному из приведенных ниже алгоритмов.
Алгоритм 1.
Генератор 5 перестраивают в диапазоне частот дискретными шагами и на каждом шаге перестройки фиксируют напряжение, измеренное с помощью детектора 6. По набору измеренных значений напряжения, полученному для всего диапазона частот перестройки, определяют частоты гармоник. По найденным значениям частот гармоник процессор устройства 7 вычисляет показатель преломления 7 материала. Далее, по калибровочным характеристикам контролируемого материала с учетом его температуры процессор вычисляет физические параметры этого материала. Для обеспечения работы по данному алгоритму генератор 5 выполнен в виде синтезатора, который формирует частоту зондирующего сигнала по цифровому коду, задаваемому устройством 7 измерения и управления.
Алгоритм 2. Генератор 5 перестраивают в диапазоне частот непрерывно до обнаружения минимума напряжения ^et · Далее генератор 5 переводят в режим автосопровождения - автоматической подстройки под частоту минимума. При нахождении минимума производят отсчет частоты генератора 5 и далее, как и в предыдущем алгоритме, вычисляют показатель преломления, по которому определяют физические параметры контролируемого материала. Для реализации данного алгоритма в устройство 7 введены аналоговый узел, выполненный с возможностью перестройки частоты генератора 5 до достижения минимума на выходе детектора 6, и узел измерения частоты генератора 5.
Для повышения точности измерения частот гармоник в состав устройства 7 введен усилитель 25 с нелинейной амплитудной характеристикой, обеспечивающий усиление выходного напряжения детектора 6 таким образом, что напряжение низкого уровня усиливается, а напряжение высокого уровня ограничивается. В спектрах, показанных на фиг. 9 и 10, минимумы напряжения Ua обостряются, что позволяет повысить точность измерения частоты минимума.
В предлагаемом техническом решении, как и в прототипе, детектор 6 подключен к датчику через отрезки линий передачи, это позволяет разместить полупроводниковые радиоэлементы устройства измерения на удалении от конструктивных элементов датчика, непосредственно соприкасающихся с контролируемым материалом. Для измерения материалов при экстремальных температурах проводники входного 12 и дополнительных отрезков 8, 9 линии передачи и проводники 1, 2 датчика выполнены из металла, устойчивого к воздействию высоких температур, а электрическое соединение указанных проводников выполнено с помощью высокотемпературного припоя.
Одно из преимуществ предложенного технического решения состоит в том, что в отличие от известных решений, в предложенном измерение проводящих материалов обеспечено без установки диэлектрических трубок поверх сигнального проводника. Это позволяет применять влагомеры на абразивных материалах, а также на сыпучих
материалах с крупными фракциями. Для указанных применений сигнальный проводник датчика выполняют из коррозионностойкой закаленной стали, например, марки 40X13 (AISI 420).
Проведенные испытания изготовленных образцов устройства измерения
физических параметров (влагомера) подтвердили эффективность предлагаемого технического решения. В качестве примера приведем результаты испытаний
изготовленного образца влагомера на водных растворах соли NaCl, причем, как ненасыщенных, так и насыщенных и содержащих нерастворенную твердую фазу.
Основные параметры влагомера:
- длина сигнального проводника датчика равна 100 мм;
- детектор выполнен в варианте, для которого минимум выходного сигнала соответствует противофазным входным сигналам (фиг.10);
- диапазон перестройки генератора 2... 390 МГц;
- допустимый уровень ослабления зондирующего сигнала в датчике - не менее бОдБ;
- диапазон измерений показателя преломления У1 = 4...120.
Влагомер обеспечивает измерения диэлектрических параметров и содержания воды во всем диапазоне от чистой воды до суспензии, в которой отношение твердой фазы к жидкой составляет 100%.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ измерения физических параметров контролируемого материала, в котором применяют:
(а) датчик, выполненный в виде отрезка длинной линии передачи с сигнальным проводником и одним или несколькими экранными проводниками,
(б) генератор,
(в) детектор,
(г) первый дополнительный отрезок линии передачи,
при этом
(1) заполняют датчик контролируемым материалом,
(2) формируют гармонический высокочастотный зондирующий сигнал
посредством генератора,
(3) подают зондирующий сигнал на вход датчика,
(4) перестраивают генератор в диапазоне частот,
(5) при перестройке измеряют напряжение на выходе детектора,
(6) подают зондирующий сигнал с входа датчика на вход детектора через первый дополнительный отрезок линии передачи, в котором создают режим бегущих волн,
(7) преобразуют зондирующий сигнал в напряжение низкой частоты посредством детектора,
(8) по минимальным значениям напряжения низкой частоты определяют частоты гармоник, характеризующиеся тем, что на этих частотах длина сигнального проводника равна или кратна половине длины волны зондирующего сигнала в контролируемом материале,
(9) сравнивают частоту гармоники, измеренную при заполнении датчика контролируемым материалом, с частотой гармоники, измеренной при заполнении датчика воздухом, и по этим частотам или по их отношению определяют физические параметры контролируемого материала, отличающийся тем, что в нем
используют второй дополнительный отрезок линии передачи, электрическая длина которого выбрана равной электрической длине первого дополнительного отрезка,
детектор выполнен в виде фазового дискриминатора, у которого выходное напряжение достигает минимума, когда его входные сигналы или синфазны или противофазны, при этом
зондирующий сигнал с выхода датчика подают на второй вход детектора через второй дополнительный отрезок линии передачи, в котором создают режим бегущих волн, и определяют частоты гармоник сравнением фазы высокочастотного зондирующего сигнала на входе датчика с фазой высокочастотного зондирующего сигнала на выходе датчика посредством детектора.
2. Способ по п.1 , отличающийся тем, что упомянутые физические параметры материала представляют собой влажность материала, диэлектрическую проницаемость, концентрацию смеси веществ, плотность, показатель преломления материала.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что генератор перестраивают в диапазоне частот дискретными шагами, на каждом шаге перестройки определяют напряжение на выходе детектора, и по частотной зависимости указанного напряжения, измеренной во всем диапазоне частот перестройки генератора, определяют частоты гармоник.
4. Способ по любому из п.2 или п.З, отличающийся тем, что сравнивают уровни зондирующего сигнала на входе и выходе датчика, по их отношению определяют диэлектрические потери в контролируемом материале и по полученному значению потерь уточняют измеряемые физические параметры.
5. Устройство измерения физических параметров контролируемого материала, содержащее:
устройство измерения и управления,
датчик, выполненный в виде отрезка длинной линии передачи с сигнальным проводником и одним или несколькими экранными проводниками, пространство между которыми предназначено для заполнения контролируемым материалом,
генератор, подключенный к входу датчика, при этом генератор выполнен с возможностью формирования высокочастотного гармонического зондирующего сигнала, кроме того, генератор выполнен перестраиваемым в диапазоне частот и имеет вход управления для регулировки частоты, подключенный к устройству измерения и
управления,
детектор, имеющий выход, подключенный к устройству измерения и управления, при этом детектор выполнен с возможностью преобразования высокочастотного зондирующего сигнала в напряжение низкой частоты,
первый дополнительный отрезок двухпроводной линии передачи, вход которого подключен к входу датчика, а выход подключен к первому входу детектора, причем первый дополнительный отрезок линии передачи выполнен согласованным на выходе, подключенном к детектору, что обеспечено, например, подсоединением согласующего резистора параллельно выходу указанного отрезка, выход генератора подключен к входу датчика непосредственно или через входной отрезок линии передачи, отличающееся тем, что в нем
упомянутый детектор выполнен в виде фазового дискриминатора, у которого выходное напряжение достигает минимума, когда его входные высокочастотные сигналы синфазны или противофазны,
при этом оно дополнительно содержит в себе второй дополнительный отрезок двухпроводной линии передачи, имеющий вход, подключенный к выходу датчика, и выход, подключенный ко второму входу детектора, причем электрическая длина второго дополнительного отрезка равна электрической длине первого дополнительного отрезка и второй дополнительный отрезок линии передачи также выполнен согласованным на выходе, подключенном к детектору.
6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что вышеупомянутый генератор выполнен в виде синтезатора, который формирует частоту зондирующего сигнала по цифровому коду, задаваемому вышеупомянутым устройством измерения и управления, причем последнее содержит процессор, выполненный с возможностью вычисления физических параметров контролируемого материала по значениям частот гармоник зондирующего сигнала.
7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что вышеупомянутое устройство измерения и управления содержит усилитель с нелинейной амплитудной
характеристикой, обеспечивающий усиление выходного напряжения детектора таким образом, что напряжение низкого уровня усиливается, а напряжение высокого уровня ограничивается.
8. Устройство по любому из п.6 или п.7, отличающееся тем, что
вышеупомянутый детектор содержит устройство для измерения и вычисления отношения уровней зондирующего сигнала на входе и выходе датчика, выход указанного устройства подключен к вышеупомянутому устройству измерения и управления, причем, процессор вышеупомянутого устройства измерения и управления вычисляет физические параметры материала по значениям частот гармоник и по величине отношения уровней
зондирующего сигнала на входе и выходе датчика.
9. Устройство по любому из пп.5-8, отличающееся тем, что вышеупомянутый первый дополнительный отрезок линии передачи подключен к входу вышеупомянутого датчика через делитель мощности, выполненный, в частности, в виде резистора, который включен между входом вышеупомянутого датчика и входом вышеупомянутого первого дополнительного отрезка линии передачи.
10. Устройство по любому из пп.5-9, отличающееся тем, что вышеупомянутый экранный проводник датчика выполнен в виде трубы, а вышеупомянутый сигнальный проводник датчика выполнен в виде металлического прутка, который расположен внутри трубы или параллельно ее оси, или перпендикулярно к оси трубы вдоль диаметра, при этом на концах сигнальный проводник закреплен в электровводах, содержащих диэлектрический изолятор, электровводы расположены либо на боковой поверхности трубы, либо на торцевой заглушке трубы, соответственно, сигнальный проводник датчика имеет либо П-образную форму, либо Г-образную форму, либо форму прямого отрезка, входной и дополнительные отрезки линии передачи выполнены из коаксиального кабеля и подключены к сигнальному проводнику датчика через указанные электровводы.
11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что на внешней поверхности вышеупомянутой трубы соосно с электровводами установлены два металлических корпуса, выполненные в виде стаканов с отверстием в дне, причем электровводы установлены в указанных отверстиях, стаканы соединены металлическими трубками с дополнительным корпусом, внутри которого установлен вышеупомянутый детектор, дополнительные отрезки линии передачи размещены в указанных трубках.
12. Устройство по любому из пп.5-9, отличающееся тем, что вышеупомянутый экранный проводник датчика выполнен в виде щита, а вышеупомянутый сигнальный проводник датчика выполнен в виде металлического прутка, который установлен на щите и имеет П-образную форму, на концах сигнальный проводник закреплен в электровводах, содержащих диэлектрический изолятор, указанные электровводы закреплены в щите, входной и дополнительные отрезки линии передачи выполнены из коаксиального кабеля и подключены к сигнальному проводнику датчика через указанные электровводы.
13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что на внешней поверхности щита соосно с электровводами установлены два металлических корпуса, выполненные в виде стаканов с отверстием в дне, причем, электровводы установлены в указанных отверстиях, внутри первого металлического корпуса, в котором находится выход сигнального проводника датчика, установлен детектор, стаканы соединены металлической трубкой, внутри которой размещен первый дополнительный отрезок линии передачи, второй дополнительный отрезок линии передачи размещен в первом металлическом корпусе.
14. Устройство по любому из пп.5-8, отличающееся тем, что проводники входного и дополнительных отрезков линии передачи и проводники датчика выполнены из металла, устойчивого к воздействию высоких температур, а электрическое соединение указанных проводников выполнено с помощью высокотемпературного припоя.
15. Устройство по любому из пп.5-14, отличающееся тем, что в
вышеупомянутом сигнальном проводнике, выполненном в виде металлического прутка, на его торце выполнено отверстие вдоль оси прутка, внутри отверстия установлен датчик температуры, в частности, термопара, провода датчика температуры подключены к устройству измерения и управления, причем на выходе из отверстия в прутке указанные провода намотаны на ферритовое кольцо.
16. Устройство по любому из пп.5-9, отличающееся тем, что вышеупомянутые экранный и сигнальный проводники датчика выполнены в виде параллельных стержней, причем экранный проводник может содержать либо один стержень, либо несколько параллельных стержней, в одном из которых выполнено вдоль его длины сквозное отверстие, все стержни закреплены своими концами на первом и втором металлических основаниях, причем стержни, образующие экранный проводник, закреплены на основаниях так, что образуют с основаниями электрический контакт, сигнальный проводник закреплен своими концами на основаниях посредством электровводов, содержащих диэлектрический изолятор, входной и дополнительные отрезки линии передачи выполнены из коаксиального кабеля и подключены к сигнальному проводнику датчика через указанные электровводы, при этом входной и первый дополнительный отрезки линии передачи подключены к входу датчика со стороны первого основания, второй дополнительный отрезок линии передачи подключен к выходу датчика со стороны второго металлического основания и выведен на сторону первого основания через упомянутое отверстие в стержне.
17. Устройство по любому из пп.5-9, отличающееся тем, что вышеупомянутый экранный проводник датчика выполнен в виде трубы с прорезями в ее стенках, а сигнальный проводник датчика выполнен в виде металлической трубки, которая расположена внутри упомянутой трубы параллельно ее оси, на концах сигнальный проводник закреплен в электровводах, содержащих диэлектрический изолятор, электровводы расположены на торцевых стенках трубы, подключение входного и дополнительных отрезков линии передачи к сигнальному проводнику датчика
произведено через указанные электровводы, входной и дополнительные отрезки линии передачи выполнены из коаксиального кабеля, второй дополнительный отрезок линии передачи, подключенный к выходу датчика, размещен внутри трубки, образующей сигнальный проводник, на выходе из трубки со стороны входа датчика указанный отрезок коаксиального кабеля намотан на ферритовое кольцо.
18. Устройство по любому из пп.5-9, отличающееся тем, что в нем датчик предназначен для измерения материалов, находящихся в металлическом бункере, при этом экранным проводником (2) датчика при установке его в бункере служат металлические стенки (28) этого бункера,
сигнальный проводник (1) датчика выполнен в виде металлической трубы, на концах указанной трубы закреплены первый (29) и второй (30) металлические корпуса, выполненные в виде стаканов с отверстием в дне, причем первый металлический корпус (29) размещен на входе (3) датчика, а второй металлический корпус (30) размещен на выходе (4) датчика,
крепление указанных корпусов (29, 30) к концам трубы (1) выполнено
посредством диэлектрических изоляторов, установленных в отверстиях указанных металлических корпусов (29, 30) и образующих в месте крепления герметичные электровводы (15),
первый (29) и второй (30) металлические корпуса закреплены в отверстиях, выполненных в стенках (28) бункера, причем указанное крепление обеспечивает электрический контакт металлических корпусов (28, 29) с металлическими стенками (28) бункера,
первый (8) и второй (9) дополнительные отрезки линии передачи выполнены из коаксиального кабеля, второй дополнительный отрезок (9) размещен внутри
металлической трубы (1), на выходе из трубы (1) со стороны входа датчика (3) указанный отрезок (9) намотан на ферритовое кольцо (20).
19. Устройство по п.18, отличающееся тем, что в нем второй дополнительный отрезок линии передачи (9), выполненный из коаксиального кабеля, подключен к выходу датчика (4) таким образом, что центральный проводник (31) коаксиального кабеля электрически подсоединен к торцу трубы (1), а его экранный проводник (32)
электрически подсоединен к второму металлическому корпусу (30), на выходе из трубы (1) со стороны выхода датчика (4) указанный отрезок (9) намотан на ферритовое кольцо (33).
20. Устройство по п.18, отличающееся тем, что в нем второй дополнительный отрезок линии передачи (9), выполненный из коаксиального кабеля, подключен к выходу датчика (4) таким образом, что экранный проводник (32) коаксиального кабеля
электрически подсоединен к торцу трубы (1), а его центральный проводник (31) электрически подсоединен к второму металлическому корпусу (30).
21. Устройство по п.19 или п.20, отличающееся тем, что в нем для крепления металлических корпусов (29, 30) к металлическим стенкам (28) бункера применены дополнительные металлические стаканы (34) с отверстием в дне, приваренные к стенкам (28) бункера, в указанных стаканах размещены и зафиксированы металлические корпуса (28, 29), причем со стороны входа датчика (3) первый металлический корпус (29) прижат к дну дополнительного стакана (34) и зафиксирован в этом положении с помощью фланцев (24), а со стороны выхода датчика (4) второй металлический корпус (30) прижат к дну дополнительного стакана (34) и зафиксирован в этом положении с помощью резьбовой втулки (35).
PCT/RU2018/000755 2017-11-21 2018-11-16 Способ и устройство измерения физических параметров материала WO2019103655A2 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/760,617 US11249033B2 (en) 2017-11-21 2018-11-16 Method and device for measuring the physical parameters of a material

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017140593A RU2665692C1 (ru) 2017-11-21 2017-11-21 Способ и устройство измерения физических параметров материала
RU2017140593 2017-11-21

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US16/760,617 Continuation US11249033B2 (en) 2017-11-21 2018-11-16 Method and device for measuring the physical parameters of a material

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2019103655A2 true WO2019103655A2 (ru) 2019-05-31
WO2019103655A3 WO2019103655A3 (ru) 2019-07-25

Family

ID=63460167

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2018/000220 WO2019103645A1 (ru) 2017-11-21 2018-04-06 Способ и устройство измерения физических параметров материала
PCT/RU2018/000755 WO2019103655A2 (ru) 2017-11-21 2018-11-16 Способ и устройство измерения физических параметров материала

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2018/000220 WO2019103645A1 (ru) 2017-11-21 2018-04-06 Способ и устройство измерения физических параметров материала

Country Status (3)

Country Link
US (1) US11249033B2 (ru)
RU (1) RU2665692C1 (ru)
WO (2) WO2019103645A1 (ru)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108896582A (zh) * 2018-04-10 2018-11-27 电子科技大学 一种基于三端口技术的同轴材料微波实时检测装置
CN110031683A (zh) * 2019-03-22 2019-07-19 金华职业技术学院 一种用于低温条件下介电谱测量的压力腔的加工方法
CN113640320B (zh) * 2021-08-25 2022-06-10 江苏麦赫物联网科技有限公司 一种原油含水率检测方法

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4862060A (en) * 1986-11-18 1989-08-29 Atlantic Richfield Company Microwave apparatus for measuring fluid mixtures
CH689902A5 (de) * 1995-05-29 2000-01-14 Buehler Ag Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Erfassung der Feuchtigkeit eines Schüttgutes.
ES2160468B1 (es) * 1998-12-23 2003-04-01 Univ Valladolid Sistema para la medida y control de la humedad de substancias fluidas dielectricas en tiempo real.
EP2345890A3 (en) * 2003-10-24 2012-10-03 Troxler Electronic Laboratories, Inc. Pavement material microwave density measurement methods and apparatuses
DE10350224B4 (de) * 2003-10-27 2007-07-26 Sartorius Ag Verfahren zur Bestimmung von Feuchte und Dichte eines dielelektrischen Materials
US7548069B2 (en) * 2005-06-10 2009-06-16 Maury Microwave, Inc. Signal measurement systems and methods
EP2431474A1 (en) 2007-05-21 2012-03-21 Saint Louis University Screening tool for antiviral agents
ES2681541T3 (es) * 2012-11-14 2018-09-13 Pce Deutschland Gmbh Medidor de humedad para materiales a granel
CN103091340A (zh) * 2013-02-22 2013-05-08 云南大学 一种微带表面回音壁模传感器
WO2015012825A1 (en) * 2013-07-24 2015-01-29 Halliburton Energy Services, Inc. Method and device for the concurrent determination of fluid density and viscosity in-situ
RU2571301C2 (ru) * 2013-09-23 2015-12-20 Олег Креонидович Сизиков Способ измерения физических параметров материала
RU2576552C1 (ru) * 2014-09-17 2016-03-10 Олег Креонидович Сизиков Способ и устройство измерения физических параметров материала
WO2016043629A1 (ru) * 2014-09-17 2016-03-24 Олег Креонидович СИЗИКОВ Способ и устройство измерения физических параметров материала

Also Published As

Publication number Publication date
US20200348246A1 (en) 2020-11-05
WO2019103655A3 (ru) 2019-07-25
RU2665692C1 (ru) 2018-09-04
US11249033B2 (en) 2022-02-15
WO2019103645A1 (ru) 2019-05-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2523342B2 (ja) 他の流体中に含まれる一つの流体の濃度を測定する装置
US8855947B2 (en) Multiphase flow metering with patch antenna
CA2572955C (en) A method and apparatus for measuring the composition and water salinity of a multiphase mixture containing water
WO2019103655A2 (ru) Способ и устройство измерения физических параметров материала
US20100148804A1 (en) Device and method for determining at least one parameter of a medium
US11927547B2 (en) Detection system and detection method for water content and conductivity
US2772393A (en) Water-in-oil detector
GB2262807A (en) Microwave determination of gas and water content of oil
Sheppard et al. Design and construction of a coaxial line cell for measuring the complex permittivity of a liquid
RU2164340C2 (ru) Способ определения покомпонентного расхода потока газожидкостной смеси продуктов газонефтедобычи в трубопроводе и устройство для его реализации
RU2434242C1 (ru) Способ измерения расстояния и радиодальномер с частотной модуляцией зондирующих радиоволн
RU2576552C1 (ru) Способ и устройство измерения физических параметров материала
RU2412432C1 (ru) Устройство для измерения физических свойств жидкости
Szwarnowski A transmission line cell for measuring the permittivity of liquids over the frequency range 90 MHz to 2 GHz
WO2016043629A1 (ru) Способ и устройство измерения физических параметров материала
CN211148469U (zh) 一种非接触式含水率测量仪
RU2315290C1 (ru) Устройство для измерения физических свойств вещества
RU2367911C1 (ru) Датчик уровня жидкости в открытых каналах
NO346797B1 (en) In-line flowmeter sensor device, in-line flowmeter and method for real-time monitoring of a volumetric ratio of fluid
SU759927A1 (ru) Радиоволновый концентратомер 1 . '
Wylie et al. Real-time measurements of oil, gas and water contents using an EM wave sensor for oil-marine-environment industries
Penirschke et al. Microwave mass flow meter for pneumatic conveyed particulate solids
Kitts et al. Liquid helium level indicator for metal storage dewars
SU1467448A1 (ru) Способ измерени концентрации электропроводной пульпы
RU2370783C2 (ru) Электрометрический прибор для бесконтактного измерения тока и глубины залегания подземного магистрального трубопровода

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: 18880982

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 18880982

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2