RU2659569C1 - Dielectric fluid moisture content measurement method - Google Patents
Dielectric fluid moisture content measurement method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2659569C1 RU2659569C1 RU2017133601A RU2017133601A RU2659569C1 RU 2659569 C1 RU2659569 C1 RU 2659569C1 RU 2017133601 A RU2017133601 A RU 2017133601A RU 2017133601 A RU2017133601 A RU 2017133601A RU 2659569 C1 RU2659569 C1 RU 2659569C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- waveguide
- frequency
- electromagnetic waves
- moisture content
- measuring
- Prior art date
Links
- 239000012530 fluid Substances 0.000 title claims description 18
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 title abstract description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 29
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 25
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 23
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims abstract description 15
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims abstract description 5
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 4
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 claims 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 3
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 8
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 8
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 4
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 2
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 2
- 239000011344 liquid material Substances 0.000 description 2
- 239000011343 solid material Substances 0.000 description 2
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 2
- NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N (2s)-2-[[4-[2-(2,4-diaminoquinazolin-6-yl)ethyl]benzoyl]amino]-4-methylidenepentanedioic acid Chemical compound C1=CC2=NC(N)=NC(N)=C2C=C1CCC1=CC=C(C(=O)N[C@@H](CC(=C)C(O)=O)C(O)=O)C=C1 NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
Images
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
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
- Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения влагосодержания различных диэлектрических жидкостей, находящихся в емкостях (технологических емкостях, измерительных ячейках и т.п.) или перемещаемых по трубопроводам.The invention relates to measuring technique and can be used for high-precision determination of the moisture content of various dielectric fluids in containers (process tanks, measuring cells, etc.) or transported through pipelines.
Известны различные способы и устройства для измерения влагосодержания жидкостей, основанные на измерении электрофизических параметров (диэлектрической проницаемости или(и) тангенса угла диэлектрических потерь) жидкостей с применением радиоволновых ВЧ и СВЧ резонаторов, содержащих контролируемую жидкость (монографии: Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. М.: Физматгиз. 1963. 403 с. С. 37-144; Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Наука. 1989. 208 с. С. 168-177). Недостатком таких способов и реализующих эти способы измерительных устройств является их ограниченная область применения, обусловленная невозможностью контроля малых изменений влагосодержания жидкостей ввиду невысокой точности измерения соответствующих малых изменений информативных параметров (резонансной частоты, добротности резонатора и др.). Для обеспечения возможности проведения таких измерений применяют двухканальные измерительные схемы с независимыми измерительным и эталонным каналами. В эталонном канале чувствительный элемент содержит жидкость с известными физическими свойствами (монография: Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. М.: Физматгиз. 1963. 403 с. С. 258-268).There are various methods and devices for measuring the moisture content of liquids based on the measurement of electrophysical parameters (dielectric constant or (and) dielectric loss tangent) of liquids using radio wave RF and microwave resonators containing a controlled liquid (monographs: Brandt A.A. Investigation of dielectrics on superhigh frequencies.M.: Fizmatgiz. 1963. 403 pp. 37-144; Viktorov V.A., Lunkin B.V., Sovlukov A.S. Radio wave measurements of process parameters.M .: Nauka. 1989. 208 S.P. 168-177). The disadvantage of such methods and measuring devices that implement these methods is their limited scope, due to the inability to control small changes in the moisture content of liquids due to the low accuracy of measurement of the corresponding small changes in informative parameters (resonant frequency, quality factor of the resonator, etc.). To ensure the possibility of such measurements, two-channel measuring circuits with independent measuring and reference channels are used. In the reference channel, the sensing element contains a liquid with known physical properties (monograph: A. Brandt. Investigation of dielectrics at microwave frequencies. M: Fizmatgiz. 1963. 403 pp. 258-268).
Известно также техническое решение (RU №2626409 С1, 27.07.2017), которое содержит описание способа, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому способу и принятого в качестве прототипа. Согласно этому способу-прототипу измерение влагосодержания жидкости производят при возбуждении электромагнитных волн фиксированной частоты в волноводе с контролируемой жидкостью на одном из его торцов, при этом частоту возбуждаемых электромагнитных волн выбирают ниже критической частоты волновода, принимают электромагнитные волны после их распространения вдоль волновода на другом его торце и измеряют амплитуду напряженности электрического поля. Недостатком данного способа измерения является ограниченность его функциональных возможностей, обусловленная невысокой точностью измерений при изменении диэлектрической проницаемости влагосодержащей жидкости, что имеет место, например, при изменении сорта жидкого топлива (нефтепродукта).Also known is a technical solution (RU No. 2626409 C1, 07.27.2017), which contains a description of the method, the technical essence of which is closest to the proposed method and adopted as a prototype. According to this prototype method, the moisture content of a liquid is measured when electromagnetic waves of a fixed frequency are excited in a waveguide with a controlled liquid at one of its ends, while the frequency of the excited electromagnetic waves is chosen below the critical frequency of the waveguide, electromagnetic waves are received after their propagation along the waveguide at its other end and measure the amplitude of the electric field. The disadvantage of this method of measurement is the limited functionality, due to the low accuracy of the measurements when the dielectric constant of the moisture-containing liquid changes, which occurs, for example, when changing the grade of liquid fuel (oil product).
Техническим результатом настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей способа измерения за счет повышения точности измерения.The technical result of the present invention is to expand the functionality of the measurement method by increasing the accuracy of the measurement.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе измерения влагосодержания диэлектрической жидкости, при котором в первом такте измерений возбуждают электромагнитные волны первой фиксированной частоты в волноводе с контролируемой жидкостью на одном из его торцов, при этом частоту возбуждаемых электромагнитных волн выбирают ниже критической частоты волновода, принимают электромагнитные волны после их распространения вдоль волновода на другом его торце и измеряют амплитуду напряженности электрического поля, дополнительно во втором такте измерений возбуждают в волноводе электромагнитные волны второй фиксированной частоты, при этом частоту возбуждаемых электромагнитных волн выбирают ниже критической частоты волновода, принимают электромагнитные волны после их распространения вдоль волновода на другом его торце и измеряют амплитуду напряженности электрического поля, при этом хотя бы одну из частот выбирают в области наличия частотной дисперсии диэлектрической проницаемости воды на этой частоте, производят совместное функциональное преобразование амплитуд, измеренных в первом и во втором тактах измерений, по результату которого судят о влагосодержании жидкости.The technical result is achieved by the fact that in the proposed method for measuring the moisture content of a dielectric fluid, in which in the first measurement step, electromagnetic waves of a first fixed frequency are excited in a waveguide with a controlled liquid at one of its ends, while the frequency of the excited electromagnetic waves is chosen below the critical frequency of the waveguide, take electromagnetic waves after their propagation along the waveguide at its other end and measure the amplitude of the electric field, in addition Finally, in the second measurement step, electromagnetic waves of a second fixed frequency are excited in the waveguide, while the frequency of the excited electromagnetic waves is chosen below the critical frequency of the waveguide, electromagnetic waves are received after their propagation along the waveguide at its other end, and the amplitude of the electric field is measured, at least one of the frequencies selected in the region of the presence of a frequency dispersion of the dielectric constant of water at this frequency, a joint functional transformation is performed the amplitudes measured in the first and second measurement steps, which are used to judge the moisture content of the liquid.
Предлагаемый способ поясняется чертежом. На фиг. 1 приведена схема устройства, поясняющая принцип измерения с применением способа.The proposed method is illustrated in the drawing. In FIG. 1 is a diagram of a device explaining the principle of measurement using the method.
Здесь показаны волновод 1, генераторы 2 и 3, коммутатор 4, элементы связи 5 и 6, детектор 7, функциональный преобразователь 8, регистратор 9.Shown here are waveguide 1,
Способ реализуется следующим образом.The method is implemented as follows.
В данном способе реализуют структурный подход к достижению инвариантности к диэлектрической проницаемости εн контролируемой жидкости, в частности, к ее сортности, изменения которой имеют место, в частности, при контроле нефти и нефтепродуктов в какой-либо емкости или в процессе их транспортирования по трубопроводу. Этот подход связан с организацией двух измерительных каналов (двух последовательных тактов измерений на двух разных фиксированных частотах ƒ1 и ƒ2) и совместным функциональным преобразованием их выходных величин с целью получения результата этого преобразования, который не зависит от возмущающего фактора, в данном случае - от величины диэлектрической проницаемости εн контролируемой жидкости и изменений εн.This method implements a structural approach to achieving the invariance of the dielectric constant ε n of the controlled fluid, in particular, its grade, the changes of which take place, in particular, when controlling oil and oil products in any tank or during their transportation through the pipeline. This approach is associated with the organization of two measuring channels (two consecutive measurement clocks at two different fixed frequencies ƒ 1 and ƒ 2 ) and the joint functional transformation of their output quantities in order to obtain the result of this transformation, which does not depend on the disturbing factor, in this case, on the dielectric constant ε n of the controlled fluid and changes ε n .
Предлагаемый способ заключается в возбуждении электромагнитных волн в волноводе, используемом в качестве измерительной ячейки (при измерениях в стационарных условиях) или в качестве отрезка измерительного волновода, встроенного в трубопровод с перекачиваемой жидкостью (при измерениях в трубопроводах). Электромагнитные волны в волноводе возбуждают последовательно на двух разных фиксированных частотах ƒ1 и ƒ2, каждая из которых ниже критической частоты ƒкр для волны низшего типа. При этом на каждой из этих частот вдоль волновода существует только ослабевающее реактивное поле, убывающее при удалении от возбуждающего элемента у одного из торцов емкости. Электромагнитные волны принимают после их распространения вдоль данного волновода на другом его торце и измеряют на каждой из частот ƒ1 и ƒ2 амплитуду напряженности электрического поля. По результату совместного преобразования измеренных амплитуд судят о влагосодержании жидкости.The proposed method consists in the excitation of electromagnetic waves in a waveguide used as a measuring cell (for measurements under stationary conditions) or as a segment of a measuring waveguide integrated in a pipeline with pumped liquid (for measurements in pipelines). Electromagnetic waves in a waveguide are excited sequentially at two different fixed frequencies ƒ 1 and ƒ 2 , each of which is below the critical frequency ƒ kr for a lower type wave. Moreover, at each of these frequencies along the waveguide there is only a weakening reactive field, decreasing with distance from the exciting element at one of the ends of the capacitance. After their propagation along the given waveguide at its other end, electromagnetic waves are received and the amplitude of the electric field strength is measured at each of the frequencies ƒ 1 and поля 2 . By the result of the joint conversion of the measured amplitudes, the moisture content of the liquid is judged.
Условием распространения электромагнитных волн по любому волноводу является выполнение неравенства: ƒ>ƒкр, которому должны удовлетворять рабочая частота ƒ и критическая частота ƒкр для волны низшего типа, например, для волны Н11 в круглом волноводе. При ƒ<ƒкр имеет место режим, при котором распространения волн по волноводу не происходит, а существует только ослабевающее реактивное поле, убывающее при удалении от возбуждающего элемента (Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т.1. М.: Высшая школа. 1970. 440 с. С. 132-136).The condition for the propagation of electromagnetic waves along any waveguide is the following inequality: ƒ> ƒ cr , which must be satisfied by the operating frequency ƒ and the critical frequency ƒ cr for a lower type wave, for example, for wave H 11 in a circular waveguide. For ƒ <ƒ cr, there is a regime in which the propagation of waves along the waveguide does not occur, and there is only a weakening reactive field, decreasing with distance from the exciting element (Lebedev IV Technique and microwave devices. T.1. M .: Higher School. 1970.440 p. S. 132-136).
При этом электрическое поле (как и магнитное поле) изменяется вдоль координаты z (оси волновода) по закону:In this case, the electric field (like the magnetic field) changes along the z coordinate (axis of the waveguide) according to the law:
а постоянная ослабления α естьand the attenuation constant α is
В этих формулах Е0 - амплитуда напряженности электрического поля при z=0; ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрической жидкости в волноводе, с - скорость света. Выбирая соотношение между ƒ и ƒкр, можно управлять величиной ослабления α.In these formulas, E 0 is the amplitude of the electric field at z = 0; ε is the dielectric constant of the dielectric fluid in the waveguide, c is the speed of light. Choosing the ratio between ƒ and ƒ cr , we can control the amount of attenuation α.
Если частота ƒ генератора меньше критической частоты ƒкр данного волновода, то амплитуда напряженности Е электрического поля, являющаяся информативным параметром, в точке приема естьIf the generator frequency ƒ is less than the critical frequency ƒ cr of a given waveguide, then the amplitude of the electric field strength E, which is an informative parameter, is
где , Е0 - амплитуда напряженности поля в области возбуждения электромагнитных волн в рассматриваемом волноводе (т.е. в области расположения связи 3), λкр - критическая длина волны для данного волновода, - длина измерительного участка, т.е. расстояние вдоль волновода между элементами возбуждения и съема электромагнитных колебаний. Напряженность электрического поля Е при удалении от элемента связи, служащего для возбуждения и приема электромагнитных колебаний, спадает в соответствии с соотношением (3). При этом значение Е зависит от влагосодержания контролируемой жидкости в волноводе.Where , E 0 is the amplitude of the field strength in the region of excitation of electromagnetic waves in the waveguide in question (i.e., in the region of the coupling 3), λ cr is the critical wavelength for this waveguide, is the length of the measuring section, i.e. the distance along the waveguide between the elements of excitation and removal of electromagnetic waves. The electric field strength E decreases with distance from the communication element, which serves to excite and receive electromagnetic waves, in accordance with relation (3). The value of E depends on the moisture content of the controlled fluid in the waveguide.
Для волн низшего типа Н11 имеем λкр=3,41d/2 и, соответственно, , где d - внутренний диаметр волновода (Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т.1. М.: Высшая школа. 1970. 440 с. С. 132-136). Например, при d=30 мм для волн типа Н11 будем иметь λкр=3,41d/2=5,115 см; тогда ƒкр=5,865/√ε ГГц. Если, например, ε=2,0, то должно быть ƒ<ƒкр=5,865/√ε ГГц=4,148 ГГц.For waves of the lower type H 11 we have λ cr = 3,41d / 2 and, accordingly, , where d is the internal diameter of the waveguide (Lebedev I.V. Technique and microwave devices. T.1. M: Higher school. 1970. 440 p. S. 132-136). For example, when d = 30 mm for waves of type H 11 we will have λ cr = 3.41d / 2 = 5.115 cm; then ƒ cr = 5.865 / √ε GHz. If, for example, ε = 2.0, then there should be ƒ <ƒ cr = 5.865 / √ε GHz = 4.148 GHz.
Длина измерительного участка, частота ƒ генератора выбираются с учетом диаметра волновода, электрофизических параметров контролируемой жидкости и диапазона их изменения.Length of the measuring section, the frequency ƒ of the generator is selected taking into account the diameter of the waveguide, the electrophysical parameters of the controlled fluid and the range of their change.
Согласно данному способу, определение влагосодержания производят при проведении двух последовательных тактов измерений на фиксированных частотах ƒ1 и ƒ2, каждая из которых меньше критической частоты ƒкр волновода.According to this method, the determination of moisture content is carried out during two consecutive measurement cycles at fixed frequencies ƒ 1 and ƒ 2 , each of which is less than the critical frequency ƒ cr of the waveguide.
В первом такте измерений, при возбуждении в волноводе на одном из его торцов электромагнитных волн на фиксированной частоте ƒ1, меньшей критической частоты ƒкр волновода, принимают электромагнитные волны после их распространения вдоль волновода на другом его торце и измеряют амплитуду Е1 напряженности электрического поля:In the first measurement step, when electromagnetic waves are excited in one of the ends of the waveguide at a fixed frequency ƒ 1 , less than the critical frequency ода cr of the waveguide, electromagnetic waves are received after their propagation along the waveguide at its other end and the electric field amplitude E 1 is measured:
где , E10 - амплитуда напряженности поля в области возбуждения электромагнитных волн в рассматриваемом волноводе, - длина измерительного участка, т.е. расстояние вдоль волновода между элементами возбуждения и съема электромагнитных колебаний, λкр - критическая длина волны в волноводе, ε(ƒ1) - диэлектрическая проницаемость жидкости на частоте ƒ1.Where , E 10 - the amplitude of the field strength in the field of excitation of electromagnetic waves in the waveguide under consideration, is the length of the measuring section, i.e. the distance along the waveguide between the elements of excitation and removal of electromagnetic waves, λ cr is the critical wavelength in the waveguide, ε (ƒ 1 ) is the dielectric constant of the liquid at a frequency of ƒ 1 .
Во втором такте измерений, при возбуждении в волноводе на одном из его торцов электромагнитных волн на фиксированной частоте ƒ2, меньшей той же критической частоты ƒкр волновода (или иной критической частоты для какого-либо другого рабочего типа волн, если его выбирают для измерений), принимают электромагнитные волны после их распространения вдоль волновода на другом его торце и измеряют амплитуду Е2 напряженности электрического поля:In the second measurement step, when electromagnetic waves are excited at one of its ends at a fixed frequency ƒ 2 , less than the same critical frequency ƒ cr of the waveguide (or another critical frequency for some other working type of waves, if it is chosen for measurements) receive electromagnetic waves after their propagation along the waveguide at its other end and measure the amplitude E 2 of the electric field:
где , Е20 - амплитуда напряженности поля в области возбуждения электромагнитных волн в рассматриваемом волноводе, - длина измерительного участка, т.е. расстояние вдоль волновода между элементами возбуждения и съема электромагнитных колебаний, λкр - критическая длина волны в волноводе, ε(ƒ2) - диэлектрическая проницаемость жидкости на частоте ƒ2.Where , E 20 - the amplitude of the field strength in the field of excitation of electromagnetic waves in the waveguide under consideration, is the length of the measuring section, i.e. the distance along the waveguide between the elements of excitation and removal of electromagnetic waves, λ kr is the critical wavelength in the waveguide, ε (ƒ 2 ) is the dielectric constant of the liquid at a frequency of ƒ 2 .
Величина диэлектрической проницаемости ε влагосодержащего диэлектрика, имеющего диэлектрическую проницаемость εн и влагосодержание W, описывается при малых W формулой Винера (Теория и практика экспрессного контроля влажности твердых и жидких материалов / Кричевский Е.С., Бензарь В.К., Венедиктов М.В. Под общ. ред. Кричевского Е.С. М.: Энергия. 1980. 240 с. С. 55-66):The dielectric constant ε of a moisture-containing dielectric having a dielectric constant ε n and a moisture content of W is described for small W by the Wiener formula (Theory and practice of express control of humidity of solid and liquid materials / Krichevsky ES, Benzar VK, Venediktov M.V. Under the general editorship of Krichevsky ES M .: Energy. 1980. 240 p. S. 55-66):
где , εв(ƒ) - диэлектрическую проницаемость воды, являющаяся функцией частоты ƒ в СВЧ-диапазоне частот.Where , ε in (ƒ) is the dielectric constant of water, which is a function of frequency ƒ in the microwave frequency range.
Например, если производить измерения на частоте ƒ1=10 ГГц, то D(ƒ1)=1,095, а на частоте ƒ2=37,5 ГГц, то D(ƒ2)=1,383, если считать εн=2.For example, if measurements are taken at a frequency of ƒ 1 = 10 GHz, then D (ƒ 1 ) = 1.095, and at a frequency of ƒ 2 = 37.5 GHz, then D (ƒ 2 ) = 1.383, if we take ε n = 2.
Выражения для D(ƒ1), D(ƒ2) в формулах (4) и (5) можно упростить, если положить D(ƒ1)-W≈D(ƒ1), D(ƒ2)-W≈D(ƒ2) и не зависят от εн, что допустимо при малых значениях влагосодержания (до ~5%) и реальных пределах изменения εн.The expressions for D (ƒ 1 ), D (ƒ 2 ) in formulas (4) and (5) can be simplified if we put D (ƒ 1 ) -W≈D (ƒ 1 ), D (ƒ 2 ) -W≈D (ƒ 2 ) and do not depend on ε n , which is permissible for small values of moisture content (up to ~ 5%) and real limits of variation of ε n .
Постоянство величин D(ƒ1) и D(ƒ2) для соответствующих частот ƒ1 и ƒ2 вытекает из постоянства величин εн и εв, входящих в формулу для D(ƒ1) и D(ƒ2). Величина εн постоянна в широком диапазоне изменения частоты ƒ, величина εв постоянна на недисперсионном участке кривой εв(ƒ) и принимается постоянной на дисперсионном участке этой кривой. Это справедливо при проведении изменений с помощью измерительных устройств, работающих на фиксированных частотах.The constancy of the quantities D (ƒ 1 ) and D (ƒ 2 ) for the corresponding frequencies ƒ 1 and ƒ 2 follows from the constancy of the quantities ε н and ε в , which are included in the formula for D (ƒ 1 ) and D (ƒ 2 ). The value of ε n is constant over a wide range of changes in the frequency ƒ, the value of ε is constant in the non-dispersive section of the ε curve in (ƒ) and is assumed to be constant in the dispersion section of this curve. This is true when making changes using measuring devices operating at fixed frequencies.
Покажем теперь на реальном примере, что D(ƒ1)-W и D(ƒ2)-W, а, точнее, величины 3/(D(ƒ1)-W) и 3/(D(ƒ2)-W), входящие общем виде (при произвольном значении частоты ƒ) в формулу (1), не зависят (с некоторой допустимой погрешностью) от εн. Так, при реальном изменении εв на 10% по сравнению с первоначальным значением εн=2, т.е. до значения 2,2, при значениях частот ƒ1=10 ГГц и ƒ2=37,5 ГГц будем иметь:We now show by a real example that D (ƒ 1 ) -W and D (ƒ 2 ) -W, or rather, the
при εн=2: D(ƒ1)=1,095, D(ƒ2)=1,383;when ε n = 2: D (ƒ 1 ) = 1.095, D (ƒ 2 ) = 1.383;
при εн=2,2: D(ƒ1)=1,105, D(ƒ2)=1,337.for ε n = 2.2: D (ƒ 1 ) = 1.105, D (ƒ 2 ) = 1.337.
Отсюда следует, что относительное изменение D(ƒ1) есть ~0,9%, а относительное изменение D(ƒ2) есть ~2,6%.It follows that the relative change in D (ƒ 1 ) is ~ 0.9%, and the relative change in D (ƒ 2 ) is ~ 2.6%.
Оценим, как влияют эти изменения D(ƒ1) и D(ƒ2) на коэффициенты при W в формуле (1) при ƒ=ƒ1 и ƒ=ƒ2, а именно на коэффициент k1=3/(D(ƒ1)-W) и коэффициент k2=3/(D(ƒ2)-W):Let us evaluate how these changes D (ƒ 1 ) and D (ƒ 2 ) affect the coefficients of W in formula (1) for ƒ = ƒ 1 and ƒ = ƒ 2 , namely, the coefficient k 1 = 3 / (D (ƒ 1 ) -W) and the coefficient k 2 = 3 / (D (ƒ 2 ) -W):
при εн=2 имеем: k1≈2,752, k2≈2,31;when ε n = 2 we have: k 1 ≈2.752, k 2 ≈2.31;
при εн=2,2 имеем: k1≈2,727, k2≈2,33.when ε n = 2.2 we have: k 1 ≈2.727, k 2 ≈2.33.
Отсюда следует, что относительное изменение как k1, так и k2 есть ~0,9%, что в ~100 раз меньше относительного изменения εн, т.е. реальное изменение εн не влияет практически на k1 и k2. В формулах для D(ƒ1) и D(ƒ2) можно использовать для выражения εн значение - номинальное значение диэлектрической проницаемости обезвоженной диэлектрической жидкости.It follows that the relative change in both k 1 and k 2 is ~ 0.9%, which is ~ 100 times less than the relative change in ε n , i.e. the real change in ε n does not practically affect k 1 and k 2 . In the formula for D (ƒ 1) and D (ƒ 2) can be used to express the value of ε n - the nominal value of the dielectric constant of the dehydrated dielectric fluid.
Отметим, что для реализации данного способа измерений достаточно, если рассматриваемой частотной дисперсией обладает вода только на одном из двух рабочих частот (ƒ1 или ƒ2).Note that for the implementation of this method of measurement, it is sufficient if the considered frequency dispersion has water at only one of two operating frequencies (ƒ 1 or ƒ 2 ).
При проведении измерений в первом такте на частоте ƒ1 будем иметь:When making measurements in the first cycle at a frequency of ƒ 1, we will have:
где , εв(ƒ1) - диэлектрическая проницаемость воды, являющаяся функцией частоты ƒ1 в СВЧ-диапазоне частот, - номинальное значение диэлектрической проницаемости обезвоженной диэлектрической жидкости.Where , ε in (ƒ 1 ) is the dielectric constant of water, which is a function of frequency ƒ 1 in the microwave frequency range, - the nominal value of the dielectric constant of the dehydrated dielectric fluid.
При проведении измерений во втором такте на частоте ƒ2 будем иметь:When taking measurements in the second cycle at a frequency of ƒ 2, we will have:
где , εв(ƒ2) - диэлектрическая проницаемость воды, являющаяся функцией частоты ƒ2 в СВЧ-диапазоне частот, - номинальное значение диэлектрической проницаемости обезвоженной диэлектрической жидкости.Where , ε in (ƒ 2 ) is the dielectric constant of water, which is a function of the frequency ƒ 2 in the microwave frequency range, - the nominal value of the dielectric constant of the dehydrated dielectric fluid.
При достаточно больших значениях W следует использовать другие известные выражения для ε (Теория и практика экспрессного контроля влажности твердых и жидких материалов / Кричевский Е.С., Бензарь В.К., Венедиктов М.В. Под общ. ред. Кричевского Е.С. М.: Энергия. 1980. 240 с.).For sufficiently large values of W, other well-known expressions for ε should be used (Theory and practice of express control of humidity of solid and liquid materials / Krichevsky E.S., Benzar V.K., Venediktov M.V. Ed. M.: Energy. 1980.240 s.).
При рассмотрении (7) и (8) как системы уравнений и ее решении относительно искомого влагосодержания W получимWhen considering (7) and (8) as a system of equations and its solution with respect to the desired moisture content W, we obtain
С учетом формул (4) и (5) выражение (9) принимает следующий вид:Taking into account formulas (4) and (5), expression (9) takes the following form:
Формулу (10) запишем в следующем виде:We write formula (10) as follows:
где k1, k2, k3, k4, k5, k6 - постоянные величины, причемwhere k 1 , k 2 , k 3 , k 4 , k 5 , k 6 are constant values, and
; ; ; ; ; . ; ; ; ; ; .
Таким образом, осуществляя совместное преобразование измеряемых значений амплитуд Е1 и Е2 согласно соотношению (11), получаем значение влагосодержания W, которое не зависит от диэлектрической проницаемости εн контролируемой жидкости и ее возможных изменений.Thus, carrying out a joint conversion of the measured values of the amplitudes E 1 and E 2 according to relation (11), we obtain the moisture content value W, which is independent of the dielectric constant ε n of the controlled fluid and its possible changes.
На фиг. 1 приведена схема устройства для реализации данного способа.In FIG. 1 shows a diagram of a device for implementing this method.
Возбуждение электромагнитных волн в волноводе 1 осуществляется последовательно, в первом и втором тактах измерений, на частотах ƒ1 и ƒ2, меньших критической частоты ƒкр для этого волновода с помощью, соответственно, генератора 2 и генератора 3 через коммутатор 4 и элемент связи 5. Другой элемент связи (приема) 6 электромагнитных волн расположен на расстоянии вдоль волновода 1. Принимаемые элементом связи 6 волны поступают на детектор 7 и затем продетектированные сигналы подаются в функциональный преобразователь 8, подсоединенный выходом к регистратору 9 для определения искомого влагосодержания, которое не зависит от диэлектрической проницаемости εн контролируемой жидкости.The excitation of electromagnetic waves in waveguide 1 is carried out sequentially, in the first and second measurement steps, at frequencies ƒ 1 and ƒ 2 lower than the critical frequency ƒ cr for this waveguide using, respectively,
Для волноводов конкретных размеров выбором частот ƒ1 и ƒ2 генераторов 2 и 3 можно оптимизировать чувствительность такого устройства для измерения влагосодержания жидкости в рабочем диапазоне его изменения. При этом имеет место монотонность зависимости информативных параметров - значений амплитуд Е1 и Е1 напряженности электрического поля - от значений соответственно ε1 и ε2, функционально связанных с измеряемым влагосодержанием жидкости.For waveguides of specific sizes, the choice of frequencies ƒ 1 and ƒ 2 of generators 2 and 3 can optimize the sensitivity of such a device for measuring the moisture content of a liquid in the working range of its change. In this case, there is a monotonic dependence of the informative parameters — the amplitudes E 1 and E 1 of the electric field — on the values of ε 1 and ε 2 , respectively, functionally related to the measured moisture content of the liquid.
Таким образом, данный способ позволяет достаточно просто и с высокой точностью измерять влагосодержание различных диэлектрических жидкостей с высокой точностью, независимо от диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости. Предлагаемый способ может быть реализован как при работе с образцами контролируемой влагосодержащей жидкости в стационарных условиях, так и при ее движении - при перемещении жидкости по трубопроводу.Thus, this method allows quite simply and with high accuracy to measure the moisture content of various dielectric fluids with high accuracy, regardless of the dielectric constant of the controlled fluid. The proposed method can be implemented both when working with samples of a controlled moisture-containing fluid in stationary conditions, and when it moves - when moving the fluid through the pipeline.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017133601A RU2659569C1 (en) | 2017-09-27 | 2017-09-27 | Dielectric fluid moisture content measurement method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017133601A RU2659569C1 (en) | 2017-09-27 | 2017-09-27 | Dielectric fluid moisture content measurement method |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2659569C1 true RU2659569C1 (en) | 2018-07-03 |
Family
ID=62815472
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017133601A RU2659569C1 (en) | 2017-09-27 | 2017-09-27 | Dielectric fluid moisture content measurement method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2659569C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2786527C1 (en) * | 2021-08-27 | 2022-12-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Method for measurement of physical properties of liquid |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1997009612A1 (en) * | 1995-09-07 | 1997-03-13 | Smart Rain Corp. Inc. | Water content, salinity and texture sensor of porous media |
US20050057263A1 (en) * | 2002-08-29 | 2005-03-17 | Moshe Danny S. | Using surface microwaves for measuring and determining density and/or moisture content of a material |
KR20120061116A (en) * | 2010-10-25 | 2012-06-13 | 한국건설생활환경시험연구원 | Method and Apparatus for Measuring Moisture Content in a Sample Using Multi Phase Microwave |
RU2465571C2 (en) * | 2009-02-24 | 2012-10-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тамбовское высшее военное авиационное инженерное училище радиоэлектроники (военный институт) | Microwave device to determine electrophysical parameters and concentration of ferromagnetic liquids |
RU2612033C1 (en) * | 2015-12-09 | 2017-03-02 | Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН | Method for measuring composition of three-component water-containing substance in stream |
RU2626409C1 (en) * | 2016-09-22 | 2017-07-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Method of measuring physical properties of liquid |
-
2017
- 2017-09-27 RU RU2017133601A patent/RU2659569C1/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1997009612A1 (en) * | 1995-09-07 | 1997-03-13 | Smart Rain Corp. Inc. | Water content, salinity and texture sensor of porous media |
US20050057263A1 (en) * | 2002-08-29 | 2005-03-17 | Moshe Danny S. | Using surface microwaves for measuring and determining density and/or moisture content of a material |
RU2465571C2 (en) * | 2009-02-24 | 2012-10-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тамбовское высшее военное авиационное инженерное училище радиоэлектроники (военный институт) | Microwave device to determine electrophysical parameters and concentration of ferromagnetic liquids |
KR20120061116A (en) * | 2010-10-25 | 2012-06-13 | 한국건설생활환경시험연구원 | Method and Apparatus for Measuring Moisture Content in a Sample Using Multi Phase Microwave |
RU2612033C1 (en) * | 2015-12-09 | 2017-03-02 | Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН | Method for measuring composition of three-component water-containing substance in stream |
RU2626409C1 (en) * | 2016-09-22 | 2017-07-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Method of measuring physical properties of liquid |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2786527C1 (en) * | 2021-08-27 | 2022-12-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Method for measurement of physical properties of liquid |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2626409C1 (en) | Method of measuring physical properties of liquid | |
RU2665692C1 (en) | Method and device for measuring physical parameters of material | |
Andreev et al. | Measurement of dielectric material properties using coupled biconical resonators | |
RU2647182C1 (en) | Method of measuring the position of the border of the section of the two environments in the tank | |
RU2365903C1 (en) | Method for measurement of moisture content and salt content in oil | |
RU2661349C1 (en) | Dielectric fluid moisture content determination method | |
RU2659569C1 (en) | Dielectric fluid moisture content measurement method | |
Mongia et al. | Accurate measurement of Q-factors of isolated dielectric resonators | |
RU2536164C1 (en) | Device to detect concentration of mixture of substances | |
Shenhui et al. | Measurement of electromagnetic properties of materials using transmission/reflection method in coaxial line | |
RU2536184C1 (en) | Concentration meter | |
US7288944B1 (en) | Evanescent waveguide apparatus and method for measurement of dielectric constant | |
RU2612033C1 (en) | Method for measuring composition of three-component water-containing substance in stream | |
US20240401994A1 (en) | In-line flowmeter sensor device, in-line flowmeter and method for real-time monitoring of a volumetric ratio of fluid | |
RU2434229C1 (en) | Apparatus for measuring physical properties of liquids | |
RU2650605C1 (en) | Method for measuring internal diameter of metal pipe | |
RU2767585C1 (en) | Method of measuring physical properties of dielectric liquid | |
RU2786527C1 (en) | Method for measurement of physical properties of liquid | |
RU2626458C1 (en) | Method of measuring physical properties of liquid | |
RU2761954C1 (en) | Method for measuring the physical properties of a dielectric liquid | |
RU2762058C1 (en) | Device for measuring the physical properties of a dielectric liquid | |
RU2614054C1 (en) | Method for measuring liquid moisture content | |
RU2691288C1 (en) | Method for measuring inner diameter of metal pipe | |
RU2372608C1 (en) | Method of measuring moisture content of mixture and sensor to this end | |
RU2775643C1 (en) | Method for measuring the level of dielectric liquid in a container |