Устройство для измерения концентрации смеси веществ
Владельцы патента RU 2246118:
Гагарин Михаил Алексеевич (RU)
Бакулин Валентин Павлович (RU)
Фатеев Валерий Яковлевич (RU)
Жиров Владимир Михайлович (RU)
Кононов Алексей Сергеевич (RU)
Совлуков Александр Сергеевич (RU)
Жиров Михаил Вениаминович (RU)
Предложенное устройство для измерения концентрации смеси различных веществ может быть использовано для измерения концентрации водно-спиртовых растворов, виноматериалов и вин в винодельческой промышленности. Технический результат - повышение точности измерений. Устройство содержит отрезок длинной линии с оконечной нагрузкой в виде контактирующего с контролируемой смесью чувствительного элемента, включенного в частотозадающую цепь автогенератора, соединенного с частотомером. Чувствительный элемент выполнен емкостным, а элементы связи - в виде катушки индуктивности с одной основной, подсоединенной ко входу отрезка длинной линии, и двумя дополнительными, подключенными к автогенератору, обмотками. Длинная линия может быть выполнена в виде коаксиальной линии или экранированной двухпроводной линии с емкостным чувствительным элементом в виде, соответственно, цилиндрического конденсатора или экранированного плоского конденсатора. Поверхность по меньшей мере одного из проводников чувствительного элемента, контактирующих с контролируемым веществом, может быть покрыта диэлектрической оболочкой. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения концентрации смесей различных веществ, находящихся в емкостях (технологических резервуарах, измерительных ячейках и т.п.). В частности, оно может быть применено для измерения концентрации водно-спиртовых растворов, виноматериалов и вин в винодельческой промышленности.
Известны различные устройства для определения концентрации смесей, основанные на отличии электрофизических параметров жидкостей, образующих смесь (пат. США N 4751476, НКИ: 331/65; пат. США N 4767982, НКИ: 324/640; Европейский пат. N ЕР 0902276, М. кл.: G 01 N 22/00; монография: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Наука. 1989. С.168-177). Эти устройства содержат емкостные и высокочастотные (ВЧ) радиоволновые чувствительные элементы (конденсаторы, отрезки длинных линий, резонаторы и др.). Недостатком таких измерительных устройств является их невысокая точность, обусловленная зависимостью результатов измерений от разброса и нестабильности на практике значений входных емкостей связи ВЧ радиоволновых датчиков с электронными блоками измерительных устройств.
Известно также техническое решение (монография: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1989. С.42-43, 87-88), которое содержит описание устройства, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому устройству и принятого в качестве прототипа. Это устройство-прототип содержит отрезок длинной линии, включенный в качестве частотозадающего элемента в схему автогенератора, подсоединенного к частотомеру. Данное устройство позволяет определять различные технологические параметры, в том числе концентрацию смеси веществ.
Недостатком этого устройства-прототипа является невысокая точность измерения, обусловленная нестабильностью используемых емкостных входных элементов связи.
Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения.
Поставленная цель в предлагаемом устройстве для измерения концентрации смеси веществ, содержащем отрезок длинной линии с оконечной нагрузкой в виде контактирующего с контролируемой смесью чувствительного элемента, включенный с помощью элементов связи в частотозадающую цепь автогенератора, соединенного с частотомером, обеспечивается тем, что чувствительный элемент выполнен емкостным, а элементы связи - в виде катушки индуктивности с одной основной, подсоединенной ко входу отрезка длинной линии, и двумя дополнительными, подключенными к автогенератору, обмотками. Длинная линия может быть выполнена в виде коаксиальной линии, а емкостный чувствительный элемент - в виде цилиндрического конденсатора. Также длинная линия может быть выполнена в виде экранированной двухпроводной линии, а емкостный чувствительный элемент - в виде плоского конденсатора. Поверхности проводников чувствительного элемента, контактирующие с контролируемым веществом, могут быть покрыты диэлектрическими оболочками.
Существенными отличительными признаками, по мнению авторов, является, во-первых, выполнение длинной линии в виде коаксиальной линии с емкостным чувствительным элементом в виде цилиндрического конденсатора или в виде экранированной двухпроводной линии с емкостным чувствительным элементом в виде экранированного плоского конденсатора. Во-вторых, выполнение элементов связи отрезка длинной линии с автогенератором в виде катушки индуктивности с одной основной, подсоединенной ко входу отрезка длинной линии, и двумя дополнительными, подключенными к автогенератору, обмотками. В-третьих, поверхность по меньшей мере одного из проводников чувствительного элемента, контактирующая с контролируемым веществом, покрыта диэлектрической оболочкой.
Совокупность отличительных признаков предлагаемого устройства обусловливает его новые свойства: обеспечение возможности значительного снижения влияния нестабильности параметров входных элементов на величину информативного параметра, а также уменьшение габаритов (длины отрезка длинной линии) устройства.
Данное свойство обеспечивает полезный эффект, сформулированный в цели предложения.
На фиг.1 и фиг.2 схематически изображены варианты предлагаемого устройства. На фиг.3 показана эквивалентная схема датчика предлагаемого устройства. На фиг.4 показан экспериментально полученный график зависимости изменения рабочей частоты от концентрации водно-спиртовой смеси. Здесь введены обозначения: 1 - чувствительный элемент, 2 - отрезок длинной линии, 3 - катушка индуктивности, 4 - автогенератор, 5 - частотомер, 6, 7 и 8 - соответственно, основная и дополнительные обмотки катушки индуктивности, 9 - диэлектрическая оболочка, 10, 11, 12 и 13 - электроды чувствительных элементов, 14 - металлическая полость, 15 - заземленный проводник (экран).
В первом варианте реализации устройства чувствительный элемент 1 может быть выполнен в виде конденсатора с коаксиально расположенными обкладками (фиг.1). Его центральный электрод 10 помещен в герметичную диэлектрическую оболочку 9. Наружный электрод 11 (экран) электрически соединен с наружным проводником коаксиальной линии 2. Во втором варианте реализации устройства (фиг.2) чувствительный элемент 1 может представлять собой плоский конденсатор, состоящий из двух электродов 12 и 13, находящихся в металлической полости 14 (экране). Эта полость (экран) электрически соединена с заземленным проводником 15 - экраном двухпроводной линии 2, выполненным, в частности, в виде металлической трубы. Хотя бы один или каждый (как показано на фиг.2) из этих электродов на фиг.1 и фиг.2 также помещен в соответствующую герметичную диэлектрическую оболочку 9.
В первом варианте реализации устройства (фиг.1) отрезок длинной линии выполнен в виде отрезка коаксиальной линии с чувствительным элементом 1 на одном из его концов в виде цилиндрического конденсатора; другой конец отрезка такой линии соединен с катушкой индуктивности 3. Во втором варианте (фиг.2) отрезок длинной линии выполнен в виде отрезка экранированной двухпроводной линии с экранированным плоским конденсатором на одном из его концов; другой конец такого отрезка линии, как и в первом варианте реализации устройства, соединен с катушкой индуктивности 3.
Катушка индуктивности 3 содержит три обмотки 6, 7 и 8: одну основную 6 и две дополнительные 7 и 8. Основная обмотка 6 соединена с помощью отрезка длинной линии (коаксиальной или двухпроводной) с чувствительным элементом 1, а дополнительные обмотки 7 и 8 служат для индуктивной связи с автогенератором 4 и предназначены, соответственно, для возбуждения электромагнитных колебаний в отрезке длинной линии и съема информативного сигнала. При этом дополнительные обмотки 7 и 8 должны иметь минимальную связь непосредственно между собой. Поэтому они располагаются у противоположных концов основной обмотки 6.
Устройство работает следующим образом. Чувствительный элемент 1, отрезок длинной линии 2 и катушка индуктивности 3 образуют электромагнитную колебательную систему. Ее резонансная частота электромагнитных колебаний зависит от параметров всех входящих в нее элементов. Параметры отрезка длинной линии 2 и катушки индуктивности 3 стабильны и практически не зависят от параметров контролируемого вещества. Поэтому резонансная частота изменяется функционально только с изменением емкости чувствительного элемента 1, которая, в свою очередь, зависит от электрофизических параметров (диэлектрической проницаемости, тангенса угла диэлектрических потерь) контролируемого вещества, которым заполняется пространство между проводниками чувствительного элемента 1. В частности, таким веществом может являться водно-спиртовая смесь или виноматериал, процентное содержание спирта в которых подлежит определению.
Поскольку данная колебательная система включена в частотозадающую цепь автогенератора 4, с помощью которого в отрезке длинной линии 2 с нагрузочным чувствительным элементом 1 возбуждаются электромагнитные колебания. Частота генерации автогенератора 4 соответствует резонансной частоте данной колебательной системы. Измеряя частоту генерации с помощью частотомера 5, подсоединенного к автогенератору 4, можно определить электрофизические параметры контролируемого вещества и функционально с ними связанную концентрацию смеси веществ.
Водо- или/и спиртосодержащие смеси, в том числе водно-спиртовые растворы, виноматериалы, вина и др., являются несовершенными диэлектриками. Поэтому для увеличения добротности рассматриваемой колебательной системы и, соответственно, возможности получения информации путем измерения частоты генерации, зависящей от резонансной частоты колебательной системы, по меньшей мере один электрод, в частности центральный электрод коаксиального чувствительного элемента (цилиндрического конденсатора), и один или оба электрода симметричного чувствительного элемента (плоского конденсатора), соответственно, в первом и втором вариантах его реализации, помещены в диэлектрическую оболочку 9, препятствующую к тому же проникновению контролируемого вещества в пространство между проводниками отрезка длинной линии 2 (см. фиг.1 и фиг.2). При этом вещество с произвольными электрофизическими параметрами является здесь одним из слоев двухслойного диэлектрика, характеризуемого эффективной диэлектрической проницаемостью.
Диапазон рабочих частот отрезка длинной линии 2 с нагрузкой в виде чувствительного элемента 1 зависит от длины отрезка линии. При длине 1 м рабочая частота ~ 75 МГц (для короткозамкнутого на одном конце отрезка линии; изменение частоты определяется диапазоном измерения концентрации смеси).
Рассматриваемый отрезок длинной линии 2 с оконечным чувствительным элементом 1 и катушкой индуктивности 3 - колебательную систему - можно в общем случае представить в виде эквивалентной схемы, приведенной на фиг.3. Здесь обозначено: L - индуктивность собственно катушки; Lвн - индуктивность, вносимая элементами связи; Свн - емкость, вносимая элементами связи; Сл - емкость отрезка длинной линии, соединяющей катушку индуктивности и чувствительный элемент 1; Счэ - емкость чувствительного элемента в отсутствие контролируемого вещества.
Так, в частности, в реальном устройстве на основе отрезка коаксиальной длинной линии значения указанных элементов следующие: L=5 мкГн, Сл=2 пФ, Счэ=6,5 пФ. Размеры отрезка коаксиальной линии: длина 100 мм, диаметр наружного проводника (экрана) 10 мм, диаметр внутреннего проводника 1 мм. Размеры чувствительного элемента: длина 50 мм, диаметр экрана 23 мм, диаметр внутреннего проводника 12 мм, толщина его диэлектрической оболочки из фторопласта 1 мм. При этих значениях рабочая частота устройства составляет ~ 25 МГц при отсутствии контролируемого вещества и ~ 12 МГц при погружении его в водно-спиртовой раствор. На фиг.4 приведен полученный экспериментально график зависимости изменения рабочей частоты f - f(9,2%), в килогерцах, от процентного содержания С спирта в воде в диапазоне его изменения 9,2-15,1%. Здесь ƒ(9,2%) - значение рабочей частоты f при С=9,2%. При проведении данных измерений применено рассматриваемое устройство на основе отрезка коаксиальной линии, имеющее вышеуказанные параметры. Данный график свидетельствует о работоспособности устройства и возможности его практического применения для измерения концентрации смесей веществ.
Для обеспечения максимальной чувствительности к контролируемому параметру (концентрации) необходимо обеспечить выполнение следующего неравенства: Счэ>>Сл+Свн. На практике выполнить данное условие удается не всегда; вместе с тем при вышеуказанных, в частности, конкретных значениях параметров элементов чувствительность устройства является вполне достаточной. Кроме того, для обеспечения минимальной погрешности необходимо минимизировать величину Свн, поскольку эта величина наиболее нестабильная. Ее величина определяется входящими в нее емкостью линий связи и собственной емкостью автогенератора.
При сравнительном анализе двух типов связи - емкостной, как в прототипе, и рассматриваемой здесь индуктивной, предпочтение следует отдать последней, так как при таком типе связи значение емкости Свн минимально.
Кроме того, для обеспечения надежной работы конструкции устройства с симметричным чувствительным элементом - плоским конденсатором - необходимо иметь и симметричное (с помощью двух дополнительных обмоток) его возбуждение, что наилучшим образом реализуется только при индуктивной связи, применяемой в предлагаемом устройстве.
В предлагаемом устройстве длинная линия 2 может при том же рабочем диапазоне частот, что и в прототипе, иметь существенно меньшую длину за счет соответствующего выбора значений индуктивностей 6, 7 и 8 катушки индуктивности 3. Это позволяет значительно уменьшить габариты устройства.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает высокоточное определение концентрации различных виноматериалов, вин, водно-спиртовых растворов и других смесей различных веществ.
1. Устройство для измерения концентрации смеси веществ, содержащее отрезок длинной линии с оконечной нагрузкой в виде контактирующего с контролируемой смесью чувствительного элемента, включенный с помощью элементов связи в частотозадающую цепь автогенератора, соединенного с частотомером, отличающееся тем, что чувствительный элемент выполнен емкостным, а элементы связи - в виде катушки индуктивности с одной основной, подсоединенной ко входу отрезка длинной линии, и двумя дополнительными, подключенными к автогенератору, обмотками.
2. Устройство для измерения концентрации смеси веществ по п.1, отличающееся тем, что длинная линия выполнена в виде коаксиальной линии, а емкостный чувствительный элемент - в виде цилиндрического конденсатора.
3. Устройство для измерения концентрации смеси веществ по п.1, отличающееся тем, что длинная линия выполнена в виде экранированной двухпроводной линии, а емкостный чувствительный элемент - в виде экранированного плоского конденсатора.
4. Устройство для измерения концентрации смеси веществ по п.1, отличающееся тем, что поверхность по меньшей мере одного из проводников чувствительного элемента, контактирующих с контролируемым веществом, покрыта диэлектрической оболочкой.