Волноводное устройство для измерения параметров жидкостей

Изобретение относится к области СВЧ-техники и может быть использовано для измерения и контроля жидкостей, в частности водных растворов и суспензий веществ химической и биологической природы в различных технологических процессах, исследованиях структуры водных растворов, определения влагосодержания углеводородов, в том числе и «на потоке», а также в биофизических исследованиях. Конструкция резонансной измерительной камеры отличается возможностью надежной и устойчивой механической перестройки и подбора оптимальной связи резонатора с волноводным трактом. Перестраиваемая волноводно-диэлектрическая камера для контроля жидкостей включает разборную волноводную камеру. Прилегающая к фланцу волноводного тракта вставка содержит резьбовое гнездо для емкостного штыря, который представляет собой цилиндрический проводник, установленный по направлению силовых линий напряженности электрического поля Е и соединенный одним концом с широкой стенкой волновода. Между вставкой и фланцем волновода имеется неглубокая канавка, вдоль которой может перемещаться полоска тонкого металла в виде резонансной (индуктивно-емкостной) диафрагмы. Размеры и расположение диафрагмы выбираются таким образом, чтобы в волноводном устройстве получить взаимное уничтожение волн, отраженных от конца волновода и от диафрагмы. Волноводная вставка содержит сквозное отверстие для диэлектрической трубки, в которую заливается измеряемая жидкость. Гладкая пластина закрывает сквозное отверстие волновода и является короткозамыкателем тракта. С помощью перемещения тонкой диафрагмы, а также емкостного штыря добиваются максимального значения добротности резонаторной измерительной системы, что регистрируется по величине амплитуды резонансной кривой на экране. Разность амплитуд резонансной кривой при последовательных измерениях показывает изменение концентрации вещества в исследуемой жидкости, связанной с изменением величины диэлектрической проницаемости. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

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

Известны конструкции устройств для измерения поглощения жидкостью в диэлектрическом капилляре электромагнитного излучения микроволнового диапазона. В устройстве, предложенном в работе [Виноградов Е.А., Ирисова Н.А., Прохоров A.M. и др. Спектрометр для измерения поглощения электромагнитного излучения жидкостью А.с. СССР №1432394, МПК G01N 22/00] измерительная кювета с рабочим веществом выполнена в виде капилляра с электродами, вмонтированными в его торцы и соединенными с синхронным детектором. При этом капилляр устанавливается при настройке параллельно вектору плоскости поляризации электрического поля микроволнового излучения. Уровень поглощения микроволнового излучения жидкостью в капиллярной трубке определяется в данном случае по изменению электропроводности жидкости.

Недостатком данного метода является необходимость использования открытого резонатора, который не позволяет сконцентрировать микроволновое излучение в такой же степени, как закрытый металлический волновод. Следовательно, имеют место потери энергии излучения, приводящие к снижению чувствительности измерений поглощения.

Следующей конструкцией измерительного устройства, более близкого к предлагаемому, является капиллярная кювета, представляющая собой тонкостенную тефлоновую трубку в волноводе, которая использовалась для исследования водных растворов [Беляков Е.В., Храпко А. Ячейка для измерения параметров жидких диэлектриков. А.с. СССР №1307315, МПК G01N 22/00]. Недостатком данной конструкции по сравнению с предложенной является отсутствие возможности подстройки резонансной системы, что препятствовало использованию данного устройства для измерения диэлектрических характеристик широкого ряда сильнопоглощающих жидкостей.

Прототипом предлагаемого устройства является конструкция резонатора, отличающаяся возможностью перестройки геометрических размеров широкой стенки волновода в виде поршней с отверстиями для диэлектрической капиллярной трубки, в которую помещена измеряемая жидкость [Беляков Е.В. Измерительный СВЧ-резонатор для диэлектриков с большими потерями. А.с. СССР №1307315, МПК G01N 22/00]. Измерение диэлектрических характеристик жидкостей с помощью данного устройства выполняется следующим образом. В радиопрозрачный капилляр, пронизывающий широкую стенку металлического прямоугольного волновода, наливается исследуемая жидкость. Затем с помощью подвижных поршней добиваются максимального значения добротности резонаторной измерительной системы, что регистрируется по величине амплитуды резонансной кривой на экране. Разность амплитуд резонансной кривой при последовательных измерениях показывает изменение концентрации вещества в бинарной или же многокомпонентной исследуемой жидкости, связанной с изменением величины диэлектрической проницаемости. Более высокая чувствительность измерений наблюдается при измерениях уровня сигнала на склоне резонансной кривой. В этом случае оценивается смещение пика резонансной кривой по шкале частот, что повышает чувствительность измеряемого параметра жидкости, связанного также с изменением величины диэлектрической проницаемости.

Перемещение поршней перпендикулярно плоскости широкой стенки волновода осуществляется с помощью регулировочных винтов. Несмотря на высокие технические характеристики устройства, его работа отличается крайней нестабильностью, связанной с механической неустойчивостью элементов конструкции, что приводит к нестабильности результатов измерения амплитуды резонансной кривой отраженного СВЧ-сигнала.

Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого устройства, заключается в уменьшении искажения формы резонансной кривой отраженного СВЧ-сигнала за счет улучшения контакта контролируемой жидкости, помещенной в диэлектрический капилляр с волноводным измерительным устройством, что приводит к повышению точности и чувствительности измерений.

Технический результат достигается тем, что волноводное устройство выполняется разъемным. Прилегающая к фланцу волноводного тракта вставка содержит резьбовое гнездо для емкостного штыря, который представляет собой цилиндрический проводник, установленный по направлению силовых линий напряженности электрического поля Е и соединенный одним концом с широкой стенкой волновода. При некоторой длине штыря, близкой к λ₀/4, проводимость последовательного контура обращается в бесконечность и волновод закорачивается. Между вставкой и фланцем волновода имеется неглубокая канавка, вдоль которой может перемещаться полоска тонкого металла в виде резонансной (индуктивно-емкостной) диафрагмы. Размеры и расположение диафрагмы выбираются таким образом, чтобы в волноводном устройстве получить взаимное уничтожение волн, отраженных от конца волновода и от диафрагмы. Волноводная вставка содержит сквозное отверстие для диэлектрической трубки, в которую заливается измеряемая жидкость. Гладкая пластина закрывает сквозное отверстие волновода и является короткозамыкателем тракта. С помощью перемещения тонкой диафрагмы, а также емкостного штыря добиваются максимального значения добротности резонаторной измерительной системы, что регистрируется по величине амплитуды резонансной кривой на экране. Разность амплитуд резонансной кривой при последовательных измерениях показывает изменение концентрации вещества в исследуемой жидкости, связанной с изменением величины диэлектрической проницаемости. Более высокая чувствительность измерений наблюдается при измерениях уровня сигнала на склоне резонансной кривой. В этом случае оценивается смещение пика резонансной кривой по шкале частот, что повышает чувствительность измеряемого параметра жидкости, связанного также с изменением величины диэлектрической проницаемости. Таким образом, предложены регулировочные элементы, совместное действие которых обеспечивает максимальную добротность резонатора для каждой концентрации вещества в исследуемой жидкости и обеспечивающие стабильность результатов измерений диэлектрических параметров контролируемой жидкости.

На фиг. 1 представлена конструкция волноводного устройство для измерения параметров жидкости, где 1 - волновод СВЧ-тракта; 2 - подвижная индуктивно-емкостная диафрагма; 3 - диэлектрическая трубка; 4 - измеряемая жидкость; 5 - короткозамыкающая пластина; 6 - емкостный штырь.

Измерение диэлектрических характеристик жидкостей с помощью данного устройства выполняется следующим образом. В диэлектрическую, трубку (3), пронизывающую широкую стенку металлического прямоугольного волновода (1), наливается исследуемая жидкость (4). Затем с помощью настроечных элементов - резонансной диафрагмы (2) и емкостного штыря (6), добиваются максимального значения добротности резонаторной измерительной системы, что регистрируется по величине амплитуды резонансной кривой на экране. Разность амплитуд резонансной кривой при последовательных измерениях показывает изменение концентрации вещества в исследуемой жидкости, связанной с изменением величины диэлектрической проницаемости. Более высокая чувствительность измерений наблюдается при измерениях уровня сигнала на склоне резонансной кривой. В этом случае оценивается смещение пика резонансной кривой по шкале частот, что повышает чувствительность измеряемого параметра жидкости, связанного также с изменением величины диэлектрической проницаемости.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет использовать регулировочные элементы, совместное действие которых обеспечивает максимальную добротность резонатора для каждой концентрации вещества в исследуемой жидкости и обеспечивает повышение чувствительности результатов измерений диэлектрических параметров контролируемой жидкости. Кроме того, упрощается конструкция устройства за счет исключения настроечных поршней с дифференциальными винтами, фторопластовыми шайбами, зубчатыми колесами и спиральными пружинами, уменьшаются габариты устройства и его вес в несколько раз и, следовательно, должна снижаться себестоимость измерительного узла.

1. Волноводное устройство для измерения параметров жидкости, включающее расположенную перпендикулярно широким стенкам волновода СВЧ-тракта волноводную камеру, содержащую сквозное отверстие с диэлектрической трубкой, отличающееся тем, что волноводная камера выполнена разборной, содержит вставку, прилегающую к фланцу СВЧ-тракта, во вставке выполнена канавка, в которой расположена подвижная индуктивно-емкостная диафрагма из тонкого металла, к вставке и волноводному отверстию камеры прилегает металлическая гладкая пластина, выполняющая функцию короткозамыкателя.

2. Волноводное устройство для измерения параметров жидкости по п. 1, отличающееся тем, что вставка содержит резьбовое гнездо, в котором размещен емкостной штырь, представляющий собой цилиндрический проводник, установленный по направлению силовых линий напряженности электрического поля Е и соединенный одним концом с широкой стенкой волновода.