RU2332659C1 - Method of measurement of fluid physical properties - Google Patents

Abstract

FIELD: metrology.

SUBSTANCE: frequency-modulated signal with frequency deviation Δφ generated by the generator is sent to a resonator to initiate additional amplitude-modulated oscillations. An amplitude detector is now used to isolate a low-frequency component and the above oscillations minimum and maximum voltage values are measured. The data on the said minimum and maximum voltages allows calculating the resonator Q-factor which allows defining the dielectric loss tangent that, in its turn, makes it possible to judge on the physical properties of the fluid under analysis.

EFFECT: higher accuracy, simplified process of measurement.

2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения различных физических свойств (концентрации смеси веществ, влагосодержания, плотности и др.) жидкостей, находящихся в емкостях (технологических резервуарах, измерительных ячейках и т.п.). В частности, оно может быть применено в пищевой промышленности для измерения концентрации коптильных препаратов, водо-спиртовых растворов и др.The invention relates to measuring equipment and can be used for high-precision determination of various physical properties (concentration of a mixture of substances, moisture content, density, etc.) of liquids in containers (process tanks, measuring cells, etc.). In particular, it can be used in the food industry to measure the concentration of smoking preparations, water-alcohol solutions, etc.

Известны различные способы определения физических свойств жидкостей, основанные на измерении электрофизических параметров (диэлектрической проницаемости и/или 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, стр.37-144; Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Наука, 1989, стр.168-177). Недостатком таких способов измерения является их ограниченная область применения, обусловленная возможностью контроля жидкостей, которые являются достаточно хорошими диэлектриками. Для диэлектрических жидкостей с большими диэлектрическими потерями добротность резонаторов может быть малой величиной и, соответственно, амплитуда информативных сигналов мала для надежной регистрации.There are various methods for determining the physical properties of liquids based on the measurement of the electrophysical parameters (dielectric constant and / or dielectric loss tangent) of liquids using radio wave RF and microwave resonators containing a controlled liquid (monographs: A. Brandt, Investigation of superhigh dielectrics frequencies. M: Fizmatgiz, 1963, pp. 37-144; Viktorov V.A., Lunkin B.V., Sovlukov A.S. ) The disadvantage of such measurement methods is their limited scope, due to the ability to control liquids that are reasonably good dielectrics. For dielectric liquids with large dielectric losses, the quality factor of the resonators can be small and, accordingly, the amplitude of informative signals is small for reliable recording.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ измерения добротности СВЧ-резонаторов, который заключается в возбуждении в резонаторе электромагнитных колебаний, модулированных по частоте пилообразным низкочастотным сигналом, измерении резонансной частоты и ширины резонансной кривой на уровне половинной мощности; при этом данный уровень определяют по положению вершины резонансной кривой при подаче на вход резонатора сигнала, модулированного по частоте пилообразным низкочастотным сигналом и низкочастотным гармоническим сигналом с индексом модуляции, соответствующим уменьшению мощности резонансного отклика в два раза (а.с. СССР №1493958, МПК ⁴ G01R 27/26).Closest to the proposed method is a method of measuring the quality factor of microwave resonators, which consists in exciting electromagnetic resonances in the resonator, modulated in frequency by a sawtooth low-frequency signal, measuring the resonant frequency and the width of the resonance curve at half power; at the same time, this level is determined by the position of the peak of the resonance curve when a signal modulated in frequency by a sawtooth low-frequency signal and a low-frequency harmonic signal with a modulation index corresponding to a two-fold decrease in the resonance response power is supplied to the resonator input (AS USSR No. 1493958, IPC ⁴ G01R 27/26).

Недостатком способа-протогипа является сложность его реализации, обусловленная необходимостью выполнения совокупности следующих операций: измерения индекса модуляции; установки индекса модуляции, равного 1,126; визуальной фиксации уровня половинной мощности по экрану индикатора и последующего отключения генератора синусоидального напряжения; визуального измерения ширины резонансного импульса на уровне половинной мощности и визуальной фиксации резонансной частоты по экрану индикатора. Все эти операции выполняются вручную, и поэтому реализация автоматического устройства на основе способа-прототипа представляет существенные трудности. Кроме того, измерение по экрану индикатора ширины резонансного импульса и фиксация резонансной частоты имеют существенную погрешность, которая присуща любым осциллоскопическим измерениям.The disadvantage of the protohyp method is the complexity of its implementation, due to the need to perform a combination of the following operations: measuring the modulation index; setting the modulation index to 1.126; visual fixation of half power level on the indicator screen and subsequent shutdown of the sinusoidal voltage generator; visual measurement of the width of the resonant pulse at half power and visual fixation of the resonant frequency on the indicator screen. All these operations are performed manually, and therefore the implementation of an automatic device based on the prototype method presents significant difficulties. In addition, the measurement on the screen of the indicator of the width of the resonant pulse and the fixation of the resonant frequency have a significant error, which is inherent in any oscilloscopic measurements.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении точности и упрощении процесса измерения.The technical result, to which the claimed invention is directed, consists in increasing the accuracy and simplifying the measurement process.

Для достижения указанного технического результата в предлагаемом способе измерения физических свойств жидкости, заключающемся в возбуждении резонатора вырабатываемым генератором сигналом, модулированным по частоте, выделении низкочастотной составляющей возникающих при возбуждении резонатора колебаний и в вычислении добротности резонатора, последний помещают в исследуемого жидкость, настраивают генератор на резонансную частоту f₀, подают на резонатор сигнал с девиацией частоты Δf, после выделения низкочастотной составляющей возникающих при возбуждении резонатора дополнительно модулированных по амплитуде колебаний измеряют максимальное U_max и минимальное U_min значения напряжения этих колебаний, на основании полученных данных рассчитывают добротность резонатора по формулам:To achieve the specified technical result in the proposed method for measuring the physical properties of a liquid, which consists in exciting the resonator by a signal generated by the generator, modulated in frequency, isolating the low-frequency component of the vibrations generated when the resonator is excited, and in calculating the quality factor of the resonator, the latter is placed in the liquid under study, the generator is tuned to the resonant frequency f ₀ , a signal with a frequency deviation Δf is supplied to the resonator after the low-frequency component of the When the resonator is excited, additionally modulated by amplitude of the oscillations, the maximum U _max and minimum U _min voltage values of these oscillations are measured, and the quality factor of the resonator is calculated based on the formulas:

в случае детектора с линейной характеристикой

in the case of a detector with a linear characteristic

иand

в случае детектора с квадратичной характеристикой,

in the case of a detector with a quadratic characteristic,

на основании рассчитанной добротности Q находят тангенс угла диэлектрических потерь tgδ, по рассчитанному тангенсу угла диэлектрических потерь определяют физические свойства жидкости. Тангенс угла диэлектрических потерь определяют по формуле:on the basis of the calculated Q factor Q, the dielectric loss tangent tanδ is found, and the physical properties of the liquid are determined from the calculated dielectric loss tangent. The dielectric loss tangent is determined by the formula:

,

,

где Q₀ - добротность резонатора вне исследуемой жидкости.where Q ₀ is the quality factor of the resonator outside the investigated fluid.

Отличительными признаками предлагаемого способа измерения физических свойств жидкости от указанного выше известного, наиболее близкого к нему, являются следующие: резонатор помещают в исследуемую жидкость, генератор настраивают на резонансную частоту f₀, генератор вырабатывает модулированный по частоте сигнал, который подают на резонатор, в последнем возбуждаются дополнительно модулированные по амплитуде колебания, с помощью амплитудного детектора выделяют из этих колебаний низкочастотную составляющую, затем с помощью измерителей напряжения измеряют максимальное U_max и минимальное U_min значения напряжения этих колебаний, на основании полученных данных рассчитывают добротность резонатора Q, а затем тангенс угла диэлектрических потерь tgδ и по рассчитанным tgδ определяют физические свойства исследуемой жидкости.Distinctive features of the proposed method for measuring the physical properties of a liquid from the above known closest to it are the following: the resonator is placed in the test liquid, the generator is tuned to the resonant frequency f ₀ , the generator generates a frequency-modulated signal that is supplied to the resonator, in the latter additionally amplitude-modulated oscillations, using the amplitude detector, a low-frequency component is extracted from these oscillations, then using a meter maximum measured voltage U _max and U _min the minimum value of the voltage of the oscillations, on the basis of the obtained data was calculated the quality factor Q of the resonator, then the tangent of dielectric loss angle tgδ and calculated tgδ determine the physical properties of the sample liquid.

Благодаря наличию этих признаков обеспечивается положительный эффект - повышение точности и упрощение процесса измерения.Due to the presence of these signs, a positive effect is ensured - increasing accuracy and simplifying the measurement process.

После прохождения частотно-модулированного (ЧМ) сигнала через резонатор 2 этот сигнал оказывается дополнительно промодулирован по амплитуде в соответствии с известным выражением, которое описывает амплитуду U_вых напряжения на выходе резонатора 2 при подаче на его вход ЧМ сигнала с амплитудой U_вх, частотой модуляции f_м и девиацией частоты Δf (3epнов H.B., Карпов В.Г. Теория радиотехнических цепей. М.-Л.: Энергии, 1965, с.620)After the frequency-modulated (FM) signal passes through resonator 2, this signal is additionally modulated in amplitude in accordance with the well-known expression that describes the amplitude U of the _output voltage of the resonator 2 when an FM signal with amplitude U _in and modulation frequency f is applied to its input _m and frequency deviation Δf (3epnov HB, Karpov V.G. Theory of radio engineering circuits. M.-L.: Energii, 1965, p.620)

где К - коэффициент передачи резонатора при резонансе; Q - добротность резонатора; f₀ - резонансная частота; t - время.where K is the resonator transfer coefficient at resonance; Q is the quality factor of the resonator; f ₀ is the resonant frequency; t is time.

При f_мt=(n+1)/4, где n=0, 1, 2, ..., U_вых(t) принимает максимальное значение U_max:When f _m t = (n + 1) / 4, where n = 0, 1, 2, ..., U _o (t) takes the maximum value U _max :

U_max=KQU_вх,U _max = KQU _in ,

а при f_мt=n/2, где n=0, 1, 2, ..., U_вых(t) принимает минимальное значение U_min:and when f _m t = n / 2, where n = 0, 1, 2, ..., U _o (t) takes the minimum value U _min :

Взяв отношение U_max/U_min и используя (2) и (3), можно вывести формулу для определения добротности Q:Taking the ratio U _max / U _min and using (2) and (3), we can derive a formula for determining the quality factor Q:

Таким образом, при известных значениях f₀ и Δf, измеряя только напряжения U_max и U_min, можно определить добротность Q и связанные с ней функционально физические свойства жидкости. При реализации предлагаемого способа следует иметь в виду, что формулой (4) можно пользоваться только в случае применения детектора с линейной характеристикой. Для детектора с квадратичной характеристикой справедлива формулаThus, for known values of f ₀ and Δf, by measuring only the stresses U _max and U _min , it is possible to determine the quality factor Q and the functionally physical properties of the fluid associated with it. When implementing the proposed method, it should be borne in mind that formula (4) can only be used if a detector with a linear characteristic is used. For a detector with a quadratic characteristic, the formula

Резонатор 2 может представлять собой отрезок длинной линии, объемный резонатор и др. Контролируемая жидкость находится в электромагнитном поле резонатора, заполняя пространство между проводниками отрезка длинной линии, пространство между обкладками конденсатора, являющегося оконечной нагрузкой длинной линии, полость объемного резонатора и др. В зависимости от конструкции резонатора и характера размещения жидкости в его электромагнитном поле имеет место соответствующая функциональная связь добротности Q с электрофизическими параметрами контролируемой жидкости - тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ, электропроводностью σ (Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. - М.: Физматгиз, 1963). Так, если контролируемая жидкость, имеющая диэлектрические потери, заполняет полностью пространство между проводниками резонатора на основе отрезка длинной линии или полость объемного резонатора, то справедлива следующая формула:Resonator 2 can be a long line segment, a volume resonator, etc. The controlled liquid is located in the electromagnetic field of the resonator, filling the space between the conductors of the long line segment, the space between the plates of the capacitor, which is the final load of the long line, the cavity of the volume resonator, etc. Depending on the design of the resonator and the nature of the placement of the liquid in its electromagnetic field, there is a corresponding functional relationship between the Q factor and the electrophysical ramie controlled liquid - tangent of dielectric loss angle tgδ, electrical conductivity σ (Brandt AA Research dielectrics at microwave frequencies -. M .: Fizmatgiz, 1963). So, if a controlled fluid having dielectric losses completely fills the space between the resonator conductors on the basis of a long line segment or the cavity of a volume resonator, then the following formula is valid:

где Q₀ и Q - добротность резонатора без исследуемой жидкости и добротность резонатора, помещенного в исследуемую жидкость.where Q ₀ and Q are the Q factor of the resonator without the test fluid and the Q factor of the resonator placed in the test fluid.

Если жидкость имеет достаточно большие диэлектрические потери (электропроводность), то Q<<Q₀ и, следовательно,If the liquid has a sufficiently large dielectric loss (electrical conductivity), then Q << Q ₀ and, therefore,

В свою очередь, электрофизические параметры жидкости (tgδ, σ) зависят функционально от того или иного, подлежащего измерению, физического свойств жидкости (концентрации, плотности и др.). В частности, это имеет место в случае измерения концентрации различных водосодержащих растворов (Теория и практика экспрессного контроля влажности твердых и жидких материалов / Под общей ред. Е.С.Кричевского. - М.: Энергия. 1980, с.45-66, 107-121).In turn, the electrophysical parameters of the fluid (tanδ, σ) depend functionally on one or another physical property of the fluid (concentration, density, etc.) to be measured. In particular, this takes place in the case of measuring the concentration of various aqueous solutions (Theory and Practice of Express Control of Moisture of Solid and Liquid Materials / Under the General Editorship of E.S. Krichevsky. - M .: Energy. 1980, p. 45-66, 107 -121).

Предлагаемый способ поясняется чертежами, представленными на фиг.1-5. На фиг.1 изображена схема устройства, с помощью которого реализуют предлагаемый способ; на фиг.2 - резонансные кривые исследуемых резонаторов с резонансной частотой f₀ и добротностями Q₁ и Q₂, причем Q₂>Q₁; на фиг.3 - график зависимости напряжения колебаний, возбуждаемых в резонаторе с добротностью Q₁ и в резонаторе с добротностью Q₂, от времени t; на фиг.4 - график зависимости частоты f сигнала генератора от времени t; на фиг.5 - график зависимости напряжения U возникающих в резонаторе колебаний от частоты f сигнала генератора для двух случаев: Q₁ - в электромагнитном поле резонатора отсутствует исследуемая жидкость, f₁ - резонансная частота; Q₂ - резонатор помещен в исследуемую жидкость, f₂ - резонансная частота.The proposed method is illustrated by the drawings shown in figures 1-5. Figure 1 shows a diagram of a device with which to implement the proposed method; figure 2 - resonance curves of the investigated resonators with a resonant frequency f ₀ and Q factors Q ₁ and Q ₂ , and Q ₂ > Q ₁ ; figure 3 is a graph of the voltage of the vibrations excited in the resonator with the Q factor Q ₁ and in the resonator with the Q factor Q ₂ , against time t; figure 4 is a graph of the frequency f of the signal of the generator from time t; figure 5 is a graph of the voltage U of the oscillations arising in the resonator versus the frequency f of the generator signal for two cases: Q ₁ - the investigated fluid is absent in the electromagnetic field of the resonator, f ₁ is the resonant frequency; Q ₂ - the resonator is placed in the test fluid, f ₂ is the resonant frequency.

Введены следующие обозначения: 1 - генератор частотно-модулированных колебаний; 2 - резонатор; 3 - амплитудный детектор; 4 - измеритель максимального значения напряжения; 5 - измеритель минимального значения напряжения; 6 - вычислительное устройство.The following notation is introduced: 1 - generator of frequency-modulated oscillations; 2 - resonator; 3 - amplitude detector; 4 - meter maximum voltage; 5 - meter of the minimum voltage value; 6 - computing device.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Генератор 1 (фиг.1) настраивают на резонансную частоту f₀ вручную путем перестройки частоты генератора 1 или в автоматическом режиме с помощью известного устройства следящей настройки экстремального типа (Новицкий П.В., Кнорринг В.Г., Гутников B.C. Цифровые приборы с частотными датчиками. - Л.: Энергия, 1970, с.18-20). Резонатор 2 (фиг.1) опускают в емкость (на фиг. не показана) с исследуемой жидкостью. Генератор 1 вырабатывает частотно-модулированный сигнал с девиацией частоты Δf (фиг.4), который подают на резонатор 2, характеризуемый соответствующей ему резонансной кривой (фиг.2). При этом в резонаторе 2 возбуждаются дополнительно модулированные по амплитуде колебания. С помощью амплитудного детектора 3 (фиг.1) выделяют низкочастотную составляющую этих колебаний, в амплитуде которых содержится информация о добротности резонатора 2 (фиг.3), и измеряют с помощью измерителя максимального напряжения 4 (фиг.1) и измерителя минимального напряжения 5 (фиг.1) соответственно максимальное напряжение U_max и минимальное напряжение U_min этих колебаний. В качестве измерителей максимального и минимального напряжений могут быть использованы компенсационные вольтметры (Измерения в электронике / под ред. Б.А.Доброхотова, т.1. - М.-Л.: Энергия, 1965, с.33). Данные измерений поступают в вычислительное устройство 6 (фиг.1), с помощью которого производят расчет добротности Q резонатора в соответствии с формулами (4) или (5). На основании рассчитанной добротности Q и зная добротность резонатора Q₀, когда резонатор не помещен в исследуемую жидкость, определяют тангенс диэлектрических потерь tgδ исследуемой жидкости по известным формулам (6) или (7).The essence of the proposed method is as follows. The generator 1 (Fig. 1) is tuned to the resonant frequency f ₀ manually by tuning the frequency of the generator 1 or automatically using a known extreme type tracking device (Novitsky P.V., Knorring V.G., Gutnikov BC Digital devices with frequency sensors. - L.: Energy, 1970, p. 18-20). The resonator 2 (Fig. 1) is lowered into a container (not shown in Fig.) With the test liquid. The generator 1 generates a frequency-modulated signal with a frequency deviation Δf (figure 4), which is fed to the resonator 2, characterized by its corresponding resonance curve (figure 2). In this case, additionally modulated in amplitude oscillations are excited in the resonator 2. Using the amplitude detector 3 (Fig. 1), the low-frequency component of these oscillations is extracted, the amplitude of which contains information about the Q factor of the resonator 2 (Fig. 3), and is measured using a maximum voltage meter 4 (Fig. 1) and a minimum voltage meter 5 ( figure 1), respectively, the maximum voltage U _max and the minimum voltage U _{min of} these oscillations. Compensation voltmeters can be used as measuring instruments for maximum and minimum voltages (Measurements in Electronics / Edited by B. A. Dobrokhotov, vol. 1. - M.-L .: Energia, 1965, p. 33). The measurement data are supplied to the computing device 6 (Fig. 1), with the help of which the Q factor of the resonator is calculated in accordance with formulas (4) or (5). Based on the calculated Q factor Q and knowing the Q factor of the resonator Q ₀ , when the resonator is not placed in the test fluid, the dielectric loss tangent tanδ of the test fluid is determined using the known formulas (6) or (7).

Измерения всех входящих в формулы (4) или (5) величин могут быть осуществлены с высокой точностью с помощью соответствующих цифровых устройств, поэтому погрешность измерения физических свойств жидкости предлагаемым способом определяется, главным образом, только неидеальностью характеристики амплитудного детектора, вид которой влияет на значение показателя степени в подкоренном выражении формулы (4). Уменьшить влияние этого фактора можно путем предварительной тарировки измерительного устройства.Measurements of all quantities included in formulas (4) or (5) can be carried out with high accuracy using appropriate digital devices, therefore, the error in measuring the physical properties of a liquid by the proposed method is determined mainly by the imperfect characteristics of the amplitude detector, the form of which affects the value of the indicator degrees in the radical expression of the formula (4). The influence of this factor can be reduced by preliminary calibration of the measuring device.

Преимуществом предлагаемого способа является также упрощение процесса измерения, характеризуемое возможностью построения на основе данного способа достаточно простого устройства для автоматического измерения добротности и, следовательно, физических свойств жидкости. Реализация данного способа, в отличие от прототипа, не предусматривает таких операций, как переключение режимов работы генератора, последовательная фиксация определенных уровней резонансной кривой и измерение частот, соответствующих этим уровням, и может быть осуществлена в непрерывном режиме.An advantage of the proposed method is also the simplification of the measurement process, characterized by the ability to build on the basis of this method a fairly simple device for automatically measuring the quality factor and, therefore, the physical properties of the liquid. The implementation of this method, unlike the prototype, does not include such operations as switching the operating modes of the generator, sequentially fixing certain levels of the resonance curve and measuring frequencies corresponding to these levels, and can be carried out in continuous mode.

Claims (2)

1. Способ измерения физических свойств жидкости, заключающийся в возбуждении резонатора вырабатываемым генератором сигналом, модулированным по частоте, выделении низкочастотной составляющей возникающих при возбуждении резонатора колебаний и в вычислении добротности резонатора, отличающийся тем, что помещают резонатор в исследуемую жидкость, настраивают генератор на резонансную частоту f₀, подают на резонатор сигнал с девиацией частоты Δf, после выделения низкочастотной составляющей возникающих при возбуждении резонатора дополнительно модулированных по амплитуде колебаний измеряют максимальное U_max и минимальное U_min значения напряжения этих колебаний, на основании полученных данных рассчитывают добротность Q резонатора по формулам:1. A method of measuring the physical properties of a liquid, which consists in exciting the resonator by a frequency-modulated signal, isolating the low-frequency component of the vibrations generated by the excitation of the resonator, and calculating the quality factor of the resonator, characterized in that the resonator is placed in the liquid under investigation, and the generator is tuned to the resonant frequency f ₀ , a signal with a frequency deviation Δf is supplied to the resonator; after isolating the low-frequency component arising from the resonator excitation, add The maximal U _max and minimum U _min voltage values of these vibrations are fully modulated by the amplitude of the oscillations; based on the data obtained, the Q factor of the resonator is calculated by the formulas:

в случае детектора с линейной характеристикой

in the case of a detector with a linear characteristic

в случае детектора с квадратичной характеристикой, на основании рассчитанной добротности Q находят тангенс угла диэлектрических потерь tgδ, по рассчитанному тангенсу угла диэлектрических потерь определяют физические свойства жидкости.

in the case of a detector with a quadratic characteristic, based on the calculated quality factor Q, the dielectric loss tangent tanδ is found, and the physical properties of the liquid are determined from the calculated dielectric loss tangent. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что тангенс угла диэлектрических потерь находят по формуле:2. The method according to claim 1, characterized in that the dielectric loss tangent is found by the formula:

,

, где Q₀ - добротность резонатора вне исследуемой жидкости.where Q ₀ is the quality factor of the resonator outside the investigated fluid.

Images