[go: up one dir, main page]

RU2659569C1 - Dielectric fluid moisture content measurement method - Google Patents

Dielectric fluid moisture content measurement method Download PDF

Info

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
Application number
RU2017133601A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Сергеевич Совлуков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук
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 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук
Priority to RU2017133601A priority Critical patent/RU2659569C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2659569C1 publication Critical patent/RU2659569C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N22/00Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
    • G01N22/04Investigating 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

FIELD: electrical engineering.
SUBSTANCE: invention relates to the field of electrical engineering and can be used in the moisture content high-precision determination of various dielectric liquids located in tanks (process vessels, measuring cells, etc.) or transferred through the pipelines. In the dielectric liquid moisture content measurement method, in the first measurements step, in the waveguide with controlled liquid at one of its ends exciting the first fixed frequency electromagnetic waves, at that, the of the excited electromagnetic waves frequency is selected below the waveguide critical frequency, receiving the electromagnetic waves after their propagation along the waveguide at its other end and measuring the electric field strength amplitude; in addition, in the second measurement cycle, exciting the second fixed frequency electromagnetic waves in the waveguide, at that, the excited electromagnetic waves frequency is selecting below the waveguide critical frequency, receiving the electromagnetic waves after their propagation along the waveguide at its other end and measuring the electric field strength amplitude, at that, at least one of the frequencies is selected in the region of the water dielectric constant frequency dispersion presence and at this frequency performing the joint functional conversion of amplitudes measured in the first and second measurement steps, by which result judging on the liquid moisture content.
EFFECT: expansion of the measurement method functionality due to increase in the measurement accuracy.
1 cl, 1 dwg

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, generators 2 and 3, switch 4, communication elements 5 and 6, detector 7, functional converter 8, recorder 9.

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:

Figure 00000001
Figure 00000001

а постоянная ослабления α естьand the attenuation constant α is

Figure 00000002
Figure 00000002

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

Figure 00000003
Figure 00000003

где

Figure 00000004
, 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,
Figure 00000005
- 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
Figure 00000004
, 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,
Figure 00000005
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,

Figure 00000006
, 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,
Figure 00000006
, 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

Figure 00000005
измерительного участка, частота ƒ генератора выбираются с учетом диаметра волновода, электрофизических параметров контролируемой жидкости и диапазона их изменения.Length
Figure 00000005
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:

Figure 00000007
Figure 00000007

где

Figure 00000008
, E10 - амплитуда напряженности поля в области возбуждения электромагнитных волн в рассматриваемом волноводе,
Figure 00000009
- 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
Figure 00000008
, E 10 - the amplitude of the field strength in the field of excitation of electromagnetic waves in the waveguide under consideration,
Figure 00000009
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:

Figure 00000010
Figure 00000010

где

Figure 00000011
, Е20 - амплитуда напряженности поля в области возбуждения электромагнитных волн в рассматриваемом волноводе,
Figure 00000012
- 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
Figure 00000011
, E 20 - the amplitude of the field strength in the field of excitation of electromagnetic waves in the waveguide under consideration,
Figure 00000012
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):

Figure 00000013
Figure 00000013

где

Figure 00000014
, εв(ƒ) - диэлектрическую проницаемость воды, являющаяся функцией частоты ƒ в СВЧ-диапазоне частот.Where
Figure 00000014
, 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 quantities 3 / (D (ƒ 1 ) -W) and 3 / (D (ƒ 2 ) -W ), entering the general form (for an arbitrary value of the frequency ƒ) into formula (1), do not depend (with some permissible error) on ε n . So, with a real change in ε in by 10% compared with the initial value of ε n = 2, i.e. to a value of 2.2, for frequencies ƒ 1 = 10 GHz and ƒ 2 = 37.5 GHz we will have:

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

Figure 00000015
- 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
Figure 00000015
- 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:

Figure 00000016
Figure 00000016

где

Figure 00000017
, εв1) - диэлектрическая проницаемость воды, являющаяся функцией частоты ƒ1 в СВЧ-диапазоне частот,
Figure 00000015
- номинальное значение диэлектрической проницаемости обезвоженной диэлектрической жидкости.Where
Figure 00000017
, ε in1 ) is the dielectric constant of water, which is a function of frequency ƒ 1 in the microwave frequency range,
Figure 00000015
- 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:

Figure 00000018
Figure 00000018

где

Figure 00000019
, εв2) - диэлектрическая проницаемость воды, являющаяся функцией частоты ƒ2 в СВЧ-диапазоне частот,
Figure 00000015
- номинальное значение диэлектрической проницаемости обезвоженной диэлектрической жидкости.Where
Figure 00000019
, ε in2 ) is the dielectric constant of water, which is a function of the frequency ƒ 2 in the microwave frequency range,
Figure 00000015
- 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

Figure 00000020
Figure 00000020

С учетом формул (4) и (5) выражение (9) принимает следующий вид:Taking into account formulas (4) and (5), expression (9) takes the following form:

Figure 00000021
Figure 00000021

Формулу (10) запишем в следующем виде:We write formula (10) as follows:

Figure 00000022
Figure 00000022

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

Figure 00000023
;
Figure 00000024
;
Figure 00000025
;
Figure 00000026
;
Figure 00000027
;
Figure 00000028
.
Figure 00000023
;
Figure 00000024
;
Figure 00000025
;
Figure 00000026
;
Figure 00000027
;
Figure 00000028
.

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

Figure 00000009
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, generator 2 and generator 3 through switch 4 and communication element 5. Another element of communication (reception) of 6 electromagnetic waves is located at a distance
Figure 00000009
along the waveguide 1. The waves received by the coupling element 6 are fed to the detector 7 and then the detected signals are fed to a functional converter 8, connected by an output to the recorder 9 to determine the desired moisture content, which is independent of the dielectric constant ε n of the controlled fluid.

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)

Способ 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, отличающийся тем, что 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.A 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, the frequency of the excited electromagnetic waves being chosen below the critical frequency of the waveguide, electromagnetic waves are received after they are propagated along the waveguide onto its other end and measure the amplitude of the electric field, characterized in that in addition to the second measurement step electromagnetic waves of a second fixed frequency are choked 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, while at least one of the frequencies is selected in the region the presence of a frequency dispersion of the dielectric constant of water at this frequency, produce a joint functional transformation of the amplitudes measured in the first and the second measuring cycles, the results of which are judged on the moisture content of the liquid.
RU2017133601A 2017-09-27 2017-09-27 Dielectric fluid moisture content measurement method RU2659569C1 (en)

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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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