устройство для измерения влажности в неметаллических средах

Формула изобретения

Устройство для измерения влажности в неметаллических средах, содержащее генераторную и приемную головки, соединенные с блоком питания, приемопередающую антенну с рупором, контактирующим с образцом контролируемой среды, последовательно соединенные блоки усиления и детектирования, отличающееся тем, что образец контролируемой среды помещен в кювету, а приемная и генераторная головки выполнены в едином блоке и размещены в горловине рупора приемопередающей антенны в фокальной плоскости отражающих профилированных поверхностей стенок кюветы, сопряженной своей прозрачной стенкой с выходом рупора и выполненной из материала, отражающего длины волн миллиметрового диапазона, при этом кювета выполнена с горловинами для слива и заливки контролируемых и эталонных сред и снабжена подвижной шторкой для образования проточного участка, на входе которого установлен регенерируемый фильтр из полимера пространственно-глобулярной структуры с сорбирующими свойствами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения влажности неметаллических сред - газообразной, жидкой и твердой в различных областях промышленности: пищевой, автомобильной, авиационной, энергетике и других.

Известно устройство для измерения влажности (1), содержащее генераторную и приемную головки, передающую антенну, кювету с контролируемой средой, а также дополнительный приемник, сориентированный под определенным углом к потоку для фазового сдвига сигнала. Однако в этом случае на точности и чувствительности измерения будут сказываться погрешности ориентирования как основного, так и дополнительного приемников, т.к. механическое позиционирование приводит к изменению условий прохождения сигнала через измерительную часть устройства, что обуславливает изменение амплитуды и фазы полезного сигнала и, как следствие, уменьшение чувствительности и точности измерений.

Известно устройство для измерения влажности (2), содержащее два передающих излучателя, приемную головку, ответвитель, через который потоки электромагнитного излучения попадают в кювету с участками различной толщины определенного размера, и о влажности судят по интенсивности суммарного потока. Однако на точность и чувствительность измерения будут оказывать влияние погрешности ориентирования двух передающих излучателей, ответвителя, а также приемной головки.

Известно устройство для измерения влажности (3), содержащее генераторную и приемную головки, приемопередающую антенну с рупором, кювету с контролируемой средой, низкочастотный акустический вибратор для модуляции отраженного сигнала, механизм перемещения антенны вдоль направления распространения волны для изменения фазы сигнала. Недостатком известного устройства является наличие разнесенных в пространстве источника акустического излучения, а также механизма перемещения антенны, что приводит к неточностям координирования указанных элементов и, как следствие, дополнительным погрешностям измерения и снижению разрешающей способности, и, кроме того, часть измерительной информации теряется из-за прохождения сигнала 1 через стенки кюветы, что приводит к повышению шума и также снижению чувствительности и точности измерений.

Известно устройство для измерения влажности (4), принятое за ближайший аналог, содержащее генераторную и приемную головки, блок питания, приемопередающую антенну с рупором, контактирующим с образцом контролируемой среды, волноводный циркулятор, волноводный трансформатор, два развязывающих вентиля-фланца и последовательно соединенные блоки усиления и детектирования. Однако на точности и чувствительности измерения будет сказываться сильная зависимость от вида контролируемого вещества на нулевой точке двойного моста, поскольку складываются сигналы, отраженные от поверхности контролируемой среды и от ее объема. По отраженному сигналу в СВЧ диапазоне можно измерять лишь высокое процентное содержание влаги в контролируемой среде. Необходима существенно нелинейная тарировка на каждый образец среды. Наличие механической настройки волноводного трансформатора существенно снижает точность и чувствительность измерительной системы. Кроме того, нежесткая связь рупора с контролируемой средой не может обеспечить стабильность получения отраженного сигнала.

Техническая задача заключается в повышении точности и чувствительности измерений.

Поставленная задача решается таким образом, что в устройстве для измерения влажности в неметаллических средах, содержащем генераторную и приемную головки, соединенные с блоком питания, приемопередающую антенну с рупором, контактирующим с образцом контролируемой среды, последовательно соединенные блоки усиления и детектирования, согласно изобретению образец контролируемой среды помещен в кювету, а приемная и генераторные головки выполнены в едином блоке и размещены в горловине рупора приемопередающей антенны в фокальной плоскости отражающих профилированных поверхностей стенок кюветы, сопряженной своей прозрачной стенкой с выходом рупора и выполненной из материала, отражающего длины волн миллиметрового диапазона, с горловинами для слива и заливки контролируемых и эталонных сред, и снабжена подвижной шторкой для образования проточного участка, на входе которого установлен регенерируемый фильтр из полимера пространственно-глобулярной структуры с сорбирующими свойствами.

Предлагаемое устройство отличается тем, что образец контролируемой среды помещен в кювету, а генераторная и приемная головки выполнены в едином блоке и размещены в горловине рупора приемопередающей антенны в фокальной плоскости отражающих профилированных поверхностей стенок кюветы, сопряженной своей прозрачной стенкой с выходом рупора и выполненной из материала, отражающего длины волн миллиметрового диапазона с горловинами для слива и заливки, и снабжена подвижной шторкой для образования проточного участка, на входе которого установлен регенерируемый фильтр с сорбирующими свойствами.

Такая схема за счет минимизирования потерь сигнала в измерительном объеме кюветы, обусловленного как расположением головок, так и профилированием ее отражающих стенок и выбором соответствующего материала, а также из-за наличия жесткой связи головок с рупором антенны и кюветой, позволяет в миллиметровом диапазоне длин волн уменьшить погрешности измерения как систематического, так и случайного характера, увеличив при этом долю полезного сигнала к шуму и, следовательно, повысить его точность и чувствительность. Формирование проточного объема при больших концентрациях влаги "непрозрачной", подвижной шторкой, устраняет влияние "шума" от остального объема на полезный сигнал. Использование же фильтра с сорбирующими свойствами позволяет досушивать эталонные образцы контролируемой среды при калибровке тракта измерения, увеличивая тем самым достоверность измерений, а значит повысить чувствительность и точность измерений.

На чертеже представлена схема устройства для измерения влажности в неметаллических средах.

Устройство содержит генераторную 1 и приемную 2 головки, соединенные с блоком питания 3, приемопередающую антенну с рупором 4, контактирующим с образцом 5 контролируемой среды, последовательно соединенные блоки усиления 6 и детектирования 7. При этом образец 5 контролируемой среды помещен в кювету 8, а генераторная 1 и приемная 2 головки выполнены в едином блоке и размещены в горловине рупора 4 приемопередающей антенны в фокальной плоскости отражающих профилированных поверхностей стенок кюветы 8. Кювета 8 сопряжена своей прозрачной стенкой 9 с выходом рупора 4 и выполнена из материала, отражающего длины волн миллиметрового диапазона, с горловинами 10, 11 для слива и заливки контролируемых и эталонных сред и снабжена подвижной шторкой 12 для образования проточного участка 13, на входе которого установлен регенерируемый фильтр 14 из полимера пространственно-глобулярной структуры с сорбирующими свойствами. Блок детектирования 7 последовательно соединен с аналого-цифровым преобразователем 15 с блоком управления 16, связанным обратной связью с блоком питания 3, блоком индикации 17 и клавиатурой 18, с помощью которой выбираются диапазоны измерений, масштаб и размерность измеряемой величины, и выход которой соответственно подсоединен к блоку управления 16, причем последний 16 обратными связями соединен с блоками усиления 6 и детектирования 7.

Устройство работает следующим образом.

Предварительно осушенный эталонный образец контролируемой среды через открытую горловину 11 отвакуумированной кюветы 8 и при открытой подвижной шторке 12 заливается в кювету 8 через фильтр 14, где происходит окончательная доосушка среды. После заливки 8, последняя герметизируется. Для уменьшения потерь, связанных с отражением от прозрачной стенки 9, и повышения чувствительности и точности, при калибровке осуществляется согласование сигнала в приемопередающем тракте в зависимости от физических параметров среды. Это достигается либо специальной обработкой принимаемого сигнала в блоке управления 16, либо изменением параметров высокочастотного сигнала в блоке питания 3. При подаче контролируемой среды в кювету 8 регенерируемый фильтр 14 не задействуется. При калибровке и измерениях высокочастотный сигнал миллиметрового диапазона длин волн, сформированный в генераторной головке 1 и промодулированный низкочастотным сигналом, параметры которого вырабатываются в блоке питания 3, а задаются в блоке управления 16, по рупору 4, сопряженному с прозрачной стенкой 9, попадает в кювету 8 с эталонным или исследуемым образцом, стенки которой не вносят потерь измерительной информации, и, отражаясь от их профилированных внутренних поверхностей с минимумом потерь, попадает далее в приемную головку 2, установленную в едином блоке с генераторной головкой 1, а затем направляется на усилитель 6 для увеличения отношения сигнала к шуму. Блок детектирования 7 выделяет низкочастотную составляющую сигнала, которая затем подается в аналого-цифровой преобразователь 15. Сигнал в виде цифрового кода обрабатывается в блоке управления 16 по задаваемому оператором алгоритму. Окончательный результат выводится на блок индикации 17. Генераторная 1 и приемная 2 головки установлены в фокальной плоскости профилированных отражающих поверхностей стенок кюветы 8. При качании частоты или фазовой модуляции волн, осуществляемых блоком питания 3 по программе, задаваемой блоком управления 16, измерения могут повторяться многократно, увеличивая их достоверность при наличии динамических воздействий и вибраций. При этом измеряются амплитуда и фаза волны, прошедшей через исследуемую среду в кювете 8.

Для определения влажности в средах с большим содержанием воды измеряется амплитуда электромагнитной волны, отраженной от поверхности среды, прилегающей к прозрачной стенке кюветы 8. Для этого с помощью подвижной шторки 12 отделяется проточный участок кюветы 8, открываются горловины 10 и 11 и осуществляется подача среды по магистрали, минуя фильтр 14. Измерения при этом могут проводиться в движущейся среде, например, при заливке в емкости.

Таким образом, использование предлагаемого устройства, за счет исключения подвижных механических элементов настройки, а также использования максимальной информативной доли сигнала при минимизации потерь как при калибровке, так и измерении, позволяет повысить его точность и чувствительность.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР 271104, G 01 N 22/04, 1970 г.

2. Авторское свидетельство СССР 671913, G 01 N 22/04, 1979 г.

3. Авторское свидетельство СССР 216368, G 01 N 22/04, 1968 г.

4. Патент RU 2132051, G 01 N 22/04, 1999 г.