Свч-способ измерения концентрации водных растворов

Авторы патента:

Казаринов Константин Дмитриевич (RU)

G01N22/00 - Исследование или анализ материалов с использованием сверхвысоких частот (G01N 3/00- G01N 17/00,G01N 24/00 имеют преимущество)

Владельцы патента RU 2631340:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к области СВЧ-техники и может быть использовано для определения концентраций веществ в водных растворах, в том числе для контроля влаги в углеводородных смесях, при контроле загрязнения водных сред, при контроле концентрации биологических клеток в суспензиях. Способ определения содержания воды в жидкостях заключается в повышении температуры при воздействии СВЧ-излучения на капиллярную трубку с исследуемой жидкостью в течение фиксированного промежутка времени и определении соответствующего изменения поглощения за этот промежуток времени, после чего на основании разности поглощения СВЧ-излучения жидкостью при различных температурах определяется концентрация воды в жидкости. Повышение точности измерений в условиях максимальной добротности резонатора является техническим результатом изобретения. 1 ил.

Изобретение относится к области микроволновой диэлектрометрии и может быть использовано для определения концентраций веществ в сильнопоглощающих водных растворах, в целях контроля влаги в углеводородных смесях, загрязнения водных сред, концентрации биологических клеток в суспензиях.

Известны различные методы определения содержания воды в жидкостях. Наиболее известные из них: дистилляция (для растворимых смесей), центрифугирование (в основном, для несмешивающихся компонентов) и оптические методы (для дисперсий и эмульсий). Эти методы, взятые по отдельности, не могут быть применены ко всему диапазону смесей, простирающемуся от полностью растворимых до полностью нерастворимых. Следует отметить, что способы перегонки и центрифугирование не могут быть приспособлены для целей непрерывного и оперативного контроля. Кроме того, оптические методы, непригодны в случае непрозрачных объектов.

Перечисленные недостатки вышеприведенных методов могут быть минимизированы при использовании методов контроля с помощью измерения поглощения СВЧ-излучения в сильнопоглощающих жидких средах.

Такие методы обычно осуществляются путем пропускания потока исследуемой жидкости с помощью радиопрозрачного трубчатого элемента через СВЧ-излучение в волноводе или резонаторе.

Известны способы измерения диэлектрических характеристик жидкостей с помощью трубки, пропущенной через широкие стенки прямоугольного металлического волновода. При этом концентрации измеряемых веществ в диэлектрической трубке контролируются методом определения величины поглощения СВЧ-излучения, распространяющегося в волноводе [1, 2].

Недостаток данных способов заключается в том, что даже при минимальном уровне мощности генератора СВЧ-сигнала 0,1 мВт, обеспечивающего устойчивую работу измерительного устройства, имеет место существенное изменение амплитуды резонанса в зависимости от продолжительности облучения, свидетельствующее о СВЧ-нагреве исследуемого экспериментального образца водного раствора. Изменение амплитуды резонанса при СВЧ-облучении образца в течение минут достигало в некоторых случаях нескольких дБ, что свидетельствует о недопустимой погрешности измерений. Такая ситуация указывает на необходимость надежного термостатирования измерительной резонаторной кюветы в процессе измерений. Обеспечить условия термостатирования в данных условиях довольно сложно из-за того, что СВЧ облучаемая часть диэлектрической трубки, в которой находится исследуемый раствор, расположена внутри полого волновода. В случае «проточной» измерительной кюветы такого нагрева не наблюдается, так как движущаяся жидкость в диэлектрической трубке не успевает нагреться в зоне СВЧ-облучения. Однако для дорогостоящих биологических препаратов такой «проточный» режим работы измерительной ячейки неприемлем из-за непомерно высоких материальных затрат на проведение эксперимента.

Прототипом предлагаемого изобретения является работа [3], в которой для поглощения жидкости в цилиндрический волновод вводится СВЧ-излучение, интенсивность которого через слой измеряемой жидкости оценивается с помощью измерителя СВЧ-мощности. При изменении диэлектрической проницаемости измеряемой жидкости уровень контролируемой СВЧ-мощности меняется и по величине этого изменения определяется поглощение жидкости и, соответственно, концентрация раствора.

Технический результат изобретения заключается в том, что при сохранении точности измерений упрощается конструкция устройства за счет исключения процесса термостатирования образца и необходимости использования проточной системы измеряемой жидкости, что особенно важно для дорогостоящих материалов.

Технический результат достигается тем, что в СВЧ-способе измерения концентрации водных растворов, включающем помещение исследуемого образца в волновод и измерения поглощения раствором СВЧ-излучения в условиях максимальной добротности резонаторной измерительной системы, измерение поглощения СВЧ-излучения в образце производят непосредственно при включении СВЧ-излучения и после фиксированного определенного промежутка времени и по величине разности поглощений с помощью калибровочной кривой определяют концентрацию водного раствора.

Измерение содержания воды в жидкостях с помощью предлагаемого способа выполняется следующим образом. В диэлектрический капилляр, пронизывающий широкую стенку металлического прямоугольного волновода, наливается эталонный образец жидкости. Затем с помощью подвижных поршней, раздвигающих широкие стенки волновода, добиваются максимального значения добротности резонаторной измерительной системы, что регистрируется по величине амплитуды резонансной кривой на экране. Разность амплитуд резонансной кривой при последовательных измерениях эталонных образцов с разными концентрациями за фиксированное время - время нагревания воды в капиллярной трубке (в нашем случае 2 минуты) показывает изменение концентрации воды в исследуемой жидкости.

Работа выполнялась на панорамной установке Р2-66 на длине волны 21,7 ГГц. Было показано, что в водном растворе диэтиленгликоля наблюдается, практически, линейная зависимость изменения поглощения СВЧ-сигнала от концентрации воды в жидкости (Фиг. 1). Используя полученную калибровочную кривую зависимости изменения поглощения СВЧ-сигнала при нагревании исследуемой жидкости за определенное время, оценивали содержание в воды в контролируемых образцах диэтиленгликоля. Аналогичные процедуры измерения концентраций растворов могут быть выполнены и для других жидкостей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Заявка ФРГ (DE) №OS 3741577, G01N 22/00 Vorrichtung und Verfahren zum Messen der Konzentration einer zweikomponentigen Flussigkeit.

2. Авт. св. СССР №1307315, МПК⁴ G01N 22/00. Ячейка для измерения параметров жидких диэлектриков

3. Патент РФ №2222024, МПК⁷ G01R 27/26. Трубчатый датчик для измерения диэлектрических характеристик жидкости.

СВЧ-способ измерения концентрации водных растворов, включающий помещение исследуемого образца в волновод и в условиях максимальной добротности резонаторной измерительной системы измерение величины поглощения СВЧ-сигнала в образце, отличающийся тем, что измерение величины поглощения СВЧ-излучения в образце производят непосредственно при включении СВЧ-излучения и после фиксированного определенного промежутка времени определяют разность величин поглощения и по этой разности с помощью калибровочной кривой определяют концентрацию водного раствора.

Использование: для дистанционного досмотра багажа. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют облучение контролируемой области пространства когерентным СВЧ-излучением на наборе частот, регистрацию сигнала после прохождения сигналом этой области с помощью нескольких каналов регистрации и обработку зарегистрированного сигнала, который несет информацию о диэлектрических объектах в багаже, при этом облучение области СВЧ-излучением осуществляют несколькими передающими элементами, расположенными в различных точках пространства, а при обработке зарегистрированного сигнала определяют множество значений удлинения оптического пути, соответствующих определенной паре излучатель-регистратор на наборе частот, затем вычисляют распределение плотности удлинения оптического пути в конкретной области пространства, выделяют непрерывные трехмерные участки с близкими по значению плотностями удлинения оптического пути, затем для каждого выделенного участка вычисляют среднюю плотность удлинения ρ оптического пути, положение и размеры диэлектрического объекта, находящегося в багаже, в системе координат (x, y, z), диэлектрическую проницаемость ε диэлектрического объекта в сечении одной из плоскостей системы координат, причем диэлектрическую проницаемость вычисляют по заданной математической формуле, задают значения εниж и εверх, которые характерны для опасных диэлектрических объектов, и при εниж<ε<εверх констатируют присутствие опасного диэлектрического объекта в контролируемой области пространства.

Способ измерения физических свойств жидкости // 2626458

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения физических свойств диэлектрических жидкостей, в том числе плотности, концентрации смесей, влагосодержания и т.д., при этом исследуемые жидкости находятся в измерительных ячейках или перекачиваются по трубопроводу.

Способ измерения физических свойств жидкости // 2626409

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения физических свойств, например, плотности, концентрации смесей, влагосодержания и др., различных диэлектрических жидкостей, находящихся в электромагнитном поле волновода.

Метод и система обнаружения на основе активных микроволн // 2622618

Использование: для обнаружения потенциально опасных и/или взрывчатых веществ, скрытых под одеждой или в багаже. Сущность изобретения заключается в том, что путем излучения, отражения и регистрации микроволн можно получить трехмерное изображение интересующего объекта.

Датчик физических свойств вещества // 2620773

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения различных физических свойств (плотности, концентрации, смеси веществ, влагосодержания и др.) веществ (жидкостей, сыпучих веществ, газов), находящихся в емкостях (технологических резервуарах, измерительных ячейках и т.п.) и перемещаемых по трубопроводам.

Способ определения толщины, электропроводности, эффективной массы, коэффициентов рассеяния носителей заряда, концентрации и энергии активации легирующей примеси полупроводникового слоя // 2619802

Изобретение относится к измерительной технике, может быть использовано для определения электрофизических параметров слоя полупроводника на поверхности диэлектрика и может найти применение в различных отраслях промышленности при контроле свойств полупроводниковых слоев.

Способ измерения состава трехкомпонентного водосодержащего вещества в потоке // 2612033

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для высокоточного измерения физических свойств веществ, являющихся компонентами трехкомпонентного вещества, неподвижного или транспортируемого по трубопроводу.

Способ измерения состава двухфазного вещества в потоке // 2611439

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для высокоточного измерения физических свойств веществ, являющихся компонентами двухфазного вещества, неподвижного или транспортируемого по трубопроводу.

Способ обнаружения осколочных взрывных устройств // 2601667

Изобретение относится к области противодействия терроризму и может быть использовано в системах защиты объектов. Способ обнаружения осколочных взрывных устройств основан на методе нелинейной радиолокации и включает облучение СВЧ электромагнитным зондирующим полем и регистрацию новых составляющих в спектре отраженного сигнала.

Способ контроля изменений интегрального соствава вещества // 2594344

Предлагаемый способ относится к области электрических измерений и может применяться для контроля изменений интегрального состава вещества в химической промышленности, добывающей промышленности, в системах контроля отработанных газов двигателей внутреннего сгорания, либо в аналогичных комплексных системах, где крайне важна задача мониторинга изменения интегрального состава вещества, находящегося в любом агрегатном состоянии. Контроль изменений интегрального состава вещества основан на измерении изменений набега фазы микроволнового сигнала при его многократном распространении через объем контролируемого вещества.

Устройство для диагностики заболеваний бронхолегочной системы // 2631629

Изобретение относится к медицинской технике. Устройство для диагностики заболеваний бронхолегочной системы содержит управляемый генератор высокой частоты (3), аналого-цифровой преобразователь (9), блок управления (4), блок регистрации и отображения результатов измерений (2), блок генерации и измерения (1), основной (6), опорный (7) и приемный (8) каналы. В блоке генерации и измерения (1) в качестве генератора высокой частоты (3) использован синтезатор частот СВЧ диапазона, первый выход которого соединен с входом делителя мощности (5) для разделения мощности СВЧ сигнала между основным (6) и опорным (7) каналами. Основной канал (6) образован усилителем мощности (12) и передающей антенной-аппликатором (13), опорный канал (7) - аттенюатором (15) и измерителем коэффициента усиления (16), приемный канал (8) - приемной матрицей антенн-аппликаторов (19), блоком мультиплексирования (18) и усилителем мощности (17). Датчики нажима (14, 20) передающей антенны-аппликатора (13) и приемной матрицы антенн-аппликаторов (19) и оптический датчик положения (11) передающей антенны-аппликатора (13) соединены с блоком управления (4), который связан с электронно-вычислительной машиной (21) с помощью шины данных через устройство сопряжения (10). Достигается определение наличия изменений в бронхолегочной системе и их локализации у пациентов всех возрастных групп, в том числе детей раннего возраста, повышение достоверности, точности и информативности получаемых результатов обследования. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Способ обнаружения и идентификации взрывчатых и наркотических веществ и устройство для его осуществления // 2632564

Предлагаемые способ и устройство относятся к технике обнаружения взрывчатых и наркотических веществ, в частности к способам и устройствам обнаружения взрывчатых и наркотических веществ в различных закрытых объемах и на теле человека, находящегося в местах массового скопления людей. Техническим результатом изобретения является повышение достоверности обнаружения взрывчатых и наркотических веществ, размещенных на контролируемых объектах, путем точного и однозначного определения местоположения контролируемого объекта и его перемещения в пространстве. Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит приемопередающую антенну (1), антенный переключатель (2), передатчик (3), приемник (4), усилители (5, 21 и 29) высокой частоты, аналого-цифровой преобразователь (6), измерительное устройство (7), блок (8) памяти, блок (9) индикации, контролируемый объект (10), процессор (11), блок (12) сравнения, ключ (13), корреляторы (14), (22, 30 и 36), перемножители (15, 23, 31 и 37), фильтры (16, 24, 32 и 38) нижних частот, экстремальные регуляторы (17, 25, 33 и 39), блоки (18, 26, 34 и 40) регулируемой задержки, индикатор (19) дальности, приемные антенны (20 и 28), индикатор (35) угла места, индикатор (41) угла ориентации. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Устройство для измерения физических свойств вещества в потоке // 2634090

Использование: для контроля потоков неоднородных диэлектрических веществ. Сущность изобретения заключатся в том, что устройство для измерения физических свойств вещества в потоке содержит на измерительном участке волноводный резонатор, через сквозные отверстия в противоположных торцах которого вдоль его продольной оси пропущен диэлектрический трубопровод с контролируемым диэлектрическим веществом, подсоединенные к данному резонатору с помощью элементов связи генератор электромагнитных колебаний и электронный блок, при этом волноводный резонатор выполнен в виде прямоугольного волноводного резонатора, в котором возбуждены колебания типа H10n, n=1, 2, …, и в котором у каждой из его узких стенок установлена диэлектрическая вставка с тем же поперечным размером, что и у прямоугольного резонатора, ее продольный размер имеет величину , где L - длина резонатора в продольной плоскости, ε - диэлектрическая проницаемость материала каждой вставки. Технический результат: обеспечение возможности повышения точности измерения. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Способ определения состояния поверхности дороги // 2637797

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено для определения состояния поверхности дорожного полотна, на котором возможно образование слоя воды, снега или льда. Техническим результатом является повышение точности и упрощение процесса определения состояния поверхности дороги. Контролируемый участок поверхности дороги зондируют электромагнитными волнами, возбуждаемыми в волноводе, размещаемом под контролируемой поверхностью, с одного из его торцевых участков, который встраивают в поверхностный слой контролируемого участка дороги, и определяют одну из характеристик стоячей волны в волноводе. С другого торцевого участка волновода зондируют электромагнитными волнами поверхность, идентичную участку поверхности дороги с эталонными значениями ее состояния, соответствующими отсутствию покрывающего слоя на поверхности дороги. В качестве поверхности, зондируемой с другого торцевого участка волновода, может быть использован участок поверхности дороги с эталонными значениями ее состояния, соответствующими отсутствию покрывающего слоя на поверхности дороги, а данный торцевой участок волновода встраивают в поверхностный слой этого участка поверхности дороги. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Способ дистанционного досмотра цели в контролируемой области пространства // 2639603

Использование: для обнаружения диэлектрических взрывчатых веществ, скрытых под одеждой на теле человека и в носимом багаже. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют облучение контролируемой области когерентным СВЧ-излучением на N частотах, регистрацию сигнала, несущего информацию о скрытом объекте, находящемся в контролируемой области пространства, с помощью одного или более параллельных каналов регистрации и когерентную обработку зарегистрированного сигнала, причем регистрацию сигнала, несущего информацию о скрытом объекте, находящемся в контролируемой области пространства, осуществляют после прохождения сигналом этой области, затем определяют зависимость заданной функции от х - координаты по оси, соединяющей регистратор и источник СВЧ-излучения, при этом определяют значение хmax, при котором функция F имеет максимальное значение Fmax, устанавливают F0 - пороговое значение, и при Fmax<F0 констатируют присутствие проводящего объекта в контролируемой области пространства, при Fmax>F0 и xmax>xпороговое, где xпороговое - установленное минимальное значение размеров объекта, констатируют присутствие диэлектрического объекта в контролируемой области пространства, а при Fmax>F0 и xmax<xпороговое констатируют отсутствие объектов в контролируемой области пространства. Технический результат: повышение точности и достоверности результатов дистанционного обнаружения скрытых объектов, а также возможность осуществления досмотра цели при отсутствии достаточной освещенности контролируемой области.

Способ улучшения характеристик нелинейного радиолокатора // 2643199

Настоящее изобретение относится к области нелинейной радиолокации и может быть использовано при разработке нелинейных радиолокаторов (НРЛ), осуществляющих поиск объектов, имеющих в своем составе нелинейные элементы (НЭ). Техническим результатом предлагаемого изобретения является улучшение характеристик сигнала на выходе оптимальной обработки за счет использования в качестве ЗС суммы двух ЛЧМ сигналов на разных несущих частотах и организации обработки отраженного от объекта поиска сигнала на комбинированной составляющей (суммарной комбинационной составляющей совместно со второй гармоникой). Это позволяет улучшить тактико-технические характеристики НРЛ, такие как разрешающая способность, отношение сигнал/боковик и стабилизация уровня ложных тревог. 5 ил.