Устройство для контроля содержания влаги и степени ее засоленности в жидких средах

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ СОДЕРЖАНИЯ ВЛАГИ И СТЕПЕНИ ЕЕ ЗАСОЛЕННОСТИ В ЖИДКИХ СРЕДАХ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Любецкий Николай Васильевич Михнев Валерий Александрович Бадеев Виталий Анатольевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси(57) Устройство для контроля содержания влаги и степени ее засоленности в жидких средах, содержащее коаксиальный полый резонатор с открытым запредельным волноводом(КПРОЗВ) с исследуемой жидкостью и четвертьволновым металлическим стержнем, приемную петлю и петлю возбуждения колебаний, установленные внутри КПРОЗВ и соединенные последовательно между собой через сверхвысокочастотный (СВЧ) детектор,микропроцессор, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) и перестраиваемый СВЧ генератор, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено термодатчиком, соединенным со вторым входом микропроцессора, вторым ЦАП, перестраиваемым высокочастотным (ВЧ) генератором и согласователем, соединенными последовательно и подключенными между вторым выходом микропроцессора и четвертьволновым металлическим стержнем, причем второй выход перестраиваемого ВЧ генератора соединен с третьим входом микропроцессора, а четвертьволновой металлический стержень содержит внутри коаксиальную линию с контактирующим с исследуемой жидкостью чувствительным элементом на одном из ее концов в виде нагрузочного сопротивления, образованного наружной поверхностью торца указанного стержня.(56) 1. Патент РФ 2244293, МПК 01 22/04, 2005. 2. Викторов В.А. и др. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. - М. Энергоатомиздат, 1989. - С. 162, рис. 4.25. 3.В,,.- //. - . 46. - . 511-514. -2. - 1997. Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к устройствам контроля жидких нефтепродуктов. Она может найти применение в нефтехимической промышленности и лабораторной практике, так как процентное содержание и степень засоленности влаги в горючем влияет на КПД двигателя и его долговечность, а в трансформаторном масле эти факторы влияют на пробивное напряжение. Известно устройство 1, реализующее способ определения содержания влаги и степени ее засоленности в жидких средах, содержащее первый цилиндрический объемный резонатор, на оси которого расположен трубопровод с исследуемой жидкостью, первый перестраиваемый по частоте генератор сверхвысокой частоты (СВЧ) с возбуждающей петлей, первый измеритель добротности, первый СВЧ детектор с приемной петлей, а также второй цилиндрический объемный резонатор, на оси которого расположен трубопровод с исследуемой жидкостью, второй перестраиваемый по частоте генератор СВЧ с возбуждающей петлей, второй измеритель добротности и второй СВЧ детектор с приемной петлей. Недостатком данного устройства является невысокая точность определения засоленности влаги, а также не учитывается влияние температуры исследуемой жидкости. Известно устройство для контроля содержания влаги в жидких средах 2, содержащее коаксиальный полый резонатор с открытым запредельным волноводом (КПРОЗВ), внутри которого установлены ферритовый стержень, приемная петля и петля возбуждения СВЧ колебания, а также СВЧ детектор, перестраиваемый СВЧ генератор, микропроцессор,цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), при этом исследуемая жидкость заливается в КПРОЗВ. Недостатком данного устройства является низкая точность измерения, так как не учитываются влияние температуры исследуемой жидкости и засоленность влаги. Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является устройство для определения влаги жидких сред 3, содержащее КПРОЗВ, внутри которого установлены металлический четвертьволновой стержень, приемная петля и петля возбуждения СВЧ колебания, а также СВЧ детектор, перестраиваемый СВЧ генератор, микропроцессор,ЦАП, при этом исследуемая жидкость заливается в КПРОЗВ. Недостатком данного устройства является низкая точность измерения, так как не учитываются температура исследуемой жидкости и засоленность влаги. Предлагаемой полезной моделью решается задача повышения точности контроля содержания влаги и степени ее засоленности. Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что она состоит из КПРОЗВ с исследуемой жидкостью и четвертьволновым металлическим стержнем, приемной петли и петли возбуждения колебаний,установленных внутри КПРОЗВ и соединенных последовательно между собой через СВЧ детектор, микропроцессор, ЦАП и перестраиваемый СВЧ генератор, дополнительно снабжена термодатчиком, соединенным со вторым входом микропроцессора, вторым ЦАП, перестраиваемым высокочастотным (ВЧ) генератором и согласователем, соединенными последовательно и подключенными между вторым выходом микропроцессора и четвертьволновым металлическим стержнем, причем второй выход перестраиваемого ВЧ генератора соединен с третьим входом микропроцессора, а четвертьволновой металлический стержень содержит внутри коаксиальную линию с контактирующим с исследуемой 2 48552008.12.30 жидкостью чувствительным элементом на одном из его концов в виде нагрузочного сопротивления, образованного наружной поверхностью торца указанного стержня. Отличительными признаками предлагаемой полезной модели является наличие термодатчика, соединенного со вторым входом микропроцессора, вторым ЦАП, перестраиваемым ВЧ генератором и согласователем, соединенными последовательно и подключенными между вторым выходом микропроцессора и четвертьволновым металлическим стержнем, причем второй выход перестраиваемого ВЧ генератора соединен с третьим входом микропроцессора, а четвертьволновой металлический стержень содержит внутри коаксиальную линию с контактирующим с исследуемой жидкостью чувствительным элементом на одном из ее концов в виде нагрузочного сопротивления, образованного наружной поверхностью торца указанного стержня, что обеспечивает одновременный контроль температуры жидкости, количества влаги в ней и ее степени засоленности, при этом значительно повышается точность измерений. Предлагаемая полезная модель представлена на фигуре. Согласно фигуре, она состоит из КПРОЗВ 1, исследуемой жидкости 2, диэлектрической прокладки 3, четвертьволнового металлического стержня с коаксиальной линией 4,согласователя 5, микропроцессора 6, первого ЦАП 7, перестраиваемого СВЧ генератора 8,петли возбуждения 9, приемной петли 10, СВЧ детектора 11, термодатчика 12, перестраиваемого ВЧ генератора 13, второго ЦАП 14. Работа устройства осуществляется следующим образом. Первоначально заливают исследуемую жидкость 2 в КПРОЗВ 1. При включении питания микропроцессор 6 формирует пакет импульсов (развертку), которые через первый выход микропроцессора 6 посредством ЦАП 7 управляют перестройкой частоты СВЧ генератора 8, которая изменяется отдо(например, 5-6 ГГц). С помощью петли возбуждения 9 в КПРОЗВ 1 создается электромагнитная СВЧ волна, которая принимается приемной петлей 10 и детектируется СВЧ детектором 11. Продетектированный сигнал поступает на первый вход микропроцессора 6, который определяет значения резонансной частоты рез и добротности рез КПРОЗВ 1 с исследуемой жидкостью 2. Резонансная частота пустого (без жидкости) КПРОЗВ 1 определяется, главным образом, длинойего внутреннего стержня, которая приблизительно равна /4, где- длина электромагнитной волны. Длину всего КПРОЗВ 1 выбирают более , чтобы исключить излучение из открытого конца резонатора. КПРОЗВ чаще всего изготавливают из латуни, а на его внутренние стенки наносится тонкий слой серебра для получения высокой добротности. Каждая жидкость имеет свою комплексную диэлектрическую проницаемость, и при ее заливке в КПРОЗВ 1 резонансная частота и добротность последнего уменьшаются и будут строго соответствовать данной контролируемой жидкости при условии, что ее уровень более длиныстержня. Таким образом, для каждой жидкости определяется резонансная частота для КПРОЗВ 1 и запоминается в памяти микропроцессора 6. По значению резонансной частоты можно определить тип исследуемой жидкости. В случае, если в жидкости имеется влага, то кроме изменения резонансной частоты будет изменяться и добротность КПРОЗВ 1. В связи с этим для каждой контролируемой жидкости строится своя калибровочная зависимость от процентного содержания влаги. Подобные калибровочные зависимости от процентного содержания влаги также определяются при различных температурах жидкости и запоминаются в памяти микропроцессора 6. В связи с тем что свойства жидкостей зависят от ее температуры, в корпус КПРОЗВ 1 встроен термодатчик 12, который измеряет температуру исследуемой жидкости 2 и передает ее значение на второй вход микропроцессора 6. Для исключения срыва СВЧ колебаний над приемной петлей 10 и петлей возбуждения 9 устанавливается диэлектрическая прокладка. Сдвиг резонансной частоты из-за диэлектрической прокладки 3 учитывается при калибровке. По измеренным параметрам рез, рез и температуре с помощью калибровочных зависимостей микропроцессор 6 определяет тип 3 48552008.12.30 жидкости и содержание влаги в ней. Однако вода (влага), содержащаяся в исследуемой жидкости, может иметь различную степень засоленности, что, в свою очередь, связано с различной степенью проводимости воды 1 и ведет к дополнительной погрешности контроля содержания влаги. Для учета степени засоленности воды микроконтроллер 6 дополнительно формирует второй пакет импульсов, которые через второй выход микропроцессора 6 посредством ЦАП 14 управляют перестройкой частоты ВЧ генератора 13,которая изменяется отдо(например, 10-20 МГц). В этом ВЧ диапазоне с помощью коаксиальной линии и образованного на одном из ее торцов чувствительного элемента возбуждаются электромагнитные колебания ВЧ диапазона. Для их возбуждения и определения резонансной частоты служит блок 13 (перестраиваемый ВЧ генератор), в котором отрезок коаксиальной линии с чувствительным элементом на ее торце являются частотозадающими элементами. При этом нагрузочное сопротивление коаксиальной линии равно 138 //, где- диаметр центрального проводника коаксиальной линии,идиэлектрическая проницаемость и внешний диаметр (соответственно) материала заполнения коаксиальной линии. За счет вариации параметров ,иможно изменять нагрузочное сопротивление коаксиальной линии, добиваясь ее необходимых значений для создания оптимальных условий контроля. Так как нагрузочное сопротивление (стандартного) перестраиваемого ВЧ генератора равно 50 Ом, то в предлагаемой полезной модели используется согласователь 5, образованный конусным центральным проводником и конусной втулкой, которая заполнена материалом с диэлектрической проницаемостью, равной . Сигнал, полученный с коаксиального датчика на частоте 10-20 МГц, по сравнению с данными, полученными в диапазоне 5-6 ГГц, слабо зависит от электрофизических параметров (в частности диэлектрической проницаемости) одного из базовых веществ (например нефтепродукта) в смеси жидкости, по сравнению со свойствами воды, обладающей частотной дисперсией 1. Эта информация позволяет в микропроцессоре 6 уточнить степень засоленности влаги и более точно определить содержание влаги в контролируемой базовой жидкости. С помощью предлагаемой полезной модели можно наиболее точно, по сравнению с известными устройствами, определить содержание влаги и степень ее засоленности, так как учитываются температура жидкости и засоленность влаги. При этом наиболее просто реализовать съем данных в диапазонах с большим частотным разнесением (более 100) для использования частотной дисперсии, используя только один КПРОЗВ. Кроме того, полезная модель может быть выполнена в малогабаритном варианте и встроена непосредственно в нефтепроводы и резервуары для хранения. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4