СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЖИДКИХ ВЕЩЕСТВ

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами.

Известен способ, реализуемый на основе открытого предельного цилиндрического резонатора с колебаниями типа Н011 (см. В.А.Викторов и др. "Радиоволновые измерения параметров технологических процессов", 1989, стр.176), при котором о плотности жидкого водорода судят по резонансной частоте этого резонатора.

Недостатком этого известного способа является конструктивная сложность резонатора, связанная с наличием в его резонансной полости коаксиальных запредельных участков.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятый автором за прототип способ определения плотности вещества в потоке (см. В.А.Викторов и др. "Радиоволновые измерения параметров технологических процессов, 1989, стр.143-144). Этот способ, реализуемый указанным устройством, основан на зондировании контролируемого вещества частотно-модулированными колебаниями и определении разностных частот зондирующих и рассеянных от движущегося вещества волн, соответствующих возрастанию и убыванию частоты зондирующей волны. В этой разработке по сумме разностных частот, соответствующих возрастающему и спадающему участкам частотно-модулированных по двухстороннему пилообразному закону колебаний, определяют плотность контролируемого вещества.

Недостатком данного способа следует считать сложность определения плотности, связанную с образованием частотно-модулированных колебаний и выделением суммы разностных частот.

Задачей заявленного технического решения является упрощение процедуры измерения плотности диэлектрического жидкого вещества.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения плотности диэлектрических жидких веществ, протекающих по диэлектрическому трубопроводу, использующем электромагнитные колебания для зондирования диэлектрических жидких веществ и прием распространяющихся по трубопроводу колебаний, измеряют частоту принимаемых распространяющихся по трубопроводу электромагнитных колебаний фиксированной частоты и плотность ρ контролируемого вещества определяют по формуле

,

где к - коэффициент, учитывающий величину радиуса трубопровода, ω_0n - частота принимаемых распространяющихся по трубопроводу электромагнитных колебаний фиксированной частоты, М - молекулярный вес контролируемого вещества, N - число Авогадро, α - поляризуемость молекул вещества, n=1, 2, 3….

Сущность заявленного изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что при зондировании контролируемого диэлектрического жидкого вещества электромагнитными колебаниями по величине измеренной частоты распространяющихся по диэлектрическому трубопроводу колебаний фиксированной частоты определяют плотность диэлектрического жидкого вещества в диэлектрическом трубопроводе.

Наличие в заявленном способе совокупности перечисленных существующих признаков позволяет решить поставленную задачу определения плотности диэлектрического жидкого вещества, протекающего по диэлектрическому трубопроводу, на основе измерения частоты распространяющихся по диэлектрическому трубопроводу электромагнитных колебаний фиксированной частоты с желаемым техническим результатом, т.е. упрощением процедуры измерения плотности контролируемого вещества.

На чертеже приведена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство, реализующее данное техническое решение, содержит генератор электромагнитных колебаний фиксированной частоты 1, соединенный выходом с элементом ввода в трубопровод электромагнитных колебаний 2, элемент вывода из трубопровода электромагнитных колебаний 3, подключенный ко входу измерителя частоты 4. На чертеже цифрой 5 обозначен диэлектрический трубопровод.

Суть предлагаемого способа заключается в следующем. В рассматриваемом случае диэлектрический трубопровод, по которому протекает контролируемое вещество, можно рассматривать как диэлектрический круглый волновод, обладающий направляющими свойствами при возбуждении в нем электромагнитных волн. Как известно, в таком круглом волноводе (трубопроводе) может существовать множество типов волн, распространяющихся по данному волноводу.

В общем виде для частоты колебаний ω_0n, при которой выполняется условие распространения волны вдоль диэлектрического волновода (диэлектрического трубопровода), можно записать:

где а - внутренний радиус трубопровода (волновода), κ_0n - корни уравнения J₀(κ)=0 и n=1, 2, 3… (функция нулевого порядка Бесселя); ε₁ и µ₁ - соответственно диэлектрическая и магнитная проницаемости среды, характеризующей внутреннюю область круглого волновода; ε₂ и µ₂ - соответственно диэлектрическая и магнитная проницаемости среды, характеризующей наружную область круглого волновода. Отсюда видно, что вводимая в волновод волна будет распространяться вдоль волновода, если частота колебаний этой волны равна ω_0n или больше частоты ω_0n.

Из теории распространения электромагнитных волн по волноводам известно, что величина частоты ω_0n носит название критической. Следовательно, если частота возбужденных в круглом волноводе колебаний меньше критической, волновод свои направляющие свойства утрачивает.

В данном случае диэлектрическое жидкое вещество, протекающее по диэлектрическому трубопроводу, можно рассматривать как среду, характеризующую внутреннюю область круглого волновода, а воздух как среду, характеризующую наружную область этого волновода. В результате формулу (1) с учетом того, что диэлектрическая и магнитная проницаемости воздуха равны единице (ε_в≈1, ), можно переписать как

Формула (2) при протекании по диэлектрическому трубопроводу, например, слабополярного диэлектрического вещества (жидкие криопродукты), для которых магнитная проницаемость равна единице (µ≈1), примет следующий вид:

здесь принимается, что µ₁=µ и ε₁=ε, где µ и ε - соответственно магнитная и диэлектрическая проницаемости слабополярного диэлектрического вещества.

В формуле (3), обозначая - , получим

Из последней формулы вытекает, что при постоянном значении внутреннего радиуса диэлектрического трубопровода, измеряя частоту распространяющегося вдоль трубопровода, например, основного типа волны, соответствующей самой низкой критической частоте (n=1), можно получить информацию о диэлектрической проницаемости контролируемого вещества.

Как известно, диэлектрическая проницаемость жидких и сыпучих диэлектрических веществ является функцией их плотности, сплошности и т.д. Зависимость плотности вышеотмеченных слабополярных диэлектрических веществ от их диэлектрической проницаемости можно выразить формулой Клаузиуса-Моссоти

где N - число Авогадро; α - поляризуемость молекул вещества; М - молекулярный вес вещества; ρ - плотность вещества.

Совместное преобразование выражений (4) и (5) позволяет записать

Из полученной формулы видно, что при известных значениях М, κ, N и α измерением частоты ω_0n распространяющейся по трубопроводу волны можно определить плотность жидкого диэлектрического вещества, протекающего по диэлектрическому трубопроводу.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом. Электромагнитные волны с выхода генератора электромагнитных колебаний 1 фиксированной частоты поступают в элемент ввода в диэлектрический трубопровод электромагнитных колебаний 2. С помощью волн, поступающих в этот элемент, осуществляют зондирование диэлектрического жидкого вещества, протекающего по диэлектрическому трубопроводу. Изменением частоты выходных колебаний генератора фиксированной частоты обеспечивают существование в диэлектрическом трубопроводе определенного типа волны с частотой, равной (или больше) критической частоте (критической длине) колебания поля в этом трубопроводе. Далее распространяющуюся по трубопроводу волну (при выполнении условия распространения волны вдоль трубопровода с учетом диэлектрических свойств контролируемого вещества) принимают элементом вывода из трубопровода электромагнитных колебаний 3. После этого принимаемая волна поступает на вход измерителя частоты 4), который дает возможность фиксировать распространение нужного типа волны по трубопроводу 5 и измерить частоту колебания этой волны.

Если обозначить частоту принимаемых распространяющихся по трубопроводу, так например, самого низшего типа колебаний (n=1)ω₀₁, по факту измерения частоты ω₀₁ можно определить плотность диэлектрического жидкого вещества, протекающего по диэлектрическому трубопроводу.

Таким образом, согласно предлагаемому способу на основе измерения частоты распространяющихся по диэлектрическому трубопроводу колебаний фиксированной частоты можно обеспечить упрощение процедуры определения плотности диэлектрических жидких веществ, протекающих по трубопроводу.