Спосіб контролю змін інтегрального складу речовини

Реферат: Пропонований спосіб належить до галузі електричних вимірювань і може застосовуватися для контролю змін інтегрального складу речовини в хімічній промисловості, добувній промисловості, в системах контролю відпрацьованих газів двигунів внутрішнього згоряння або в аналогічних комплексних системах, де вкрай важливе завдання моніторингу зміни інтегрального складу речовини, що перебуває в будь-якому агрегатному стані. Спосіб контролю змін інтегрального складу речовини заснований на вимірюванні змін набігу фази мікрохвильового сигналу при його багатократному поширенні через об'єм контрольованої речовини. Кожен прохід електромагнітних коливань через контрольовану речовину характеризується штучно введеним зсувом частоти мікрохвильових коливань на певну величину. Після гомодинного перетворення в мікрохвильовому змішувачі початкових мікрохвильових коливань і трансформованих по частоті коливань, що пройшли через речовину, на виході змішувача отримують серію комбінаційних низькочастотних складових різниці, з яких вибирають одну, визначувану необхідною кратністю проходу мікрохвильових коливань через речовину. Технічним результатом винаходу є проведення вимірювань змін інтегрального складу речовини, що перебуває в будь-якому агрегатному стані, зі збільшеною чутливістю і точністю. UA 109101 C2 (12) UA 109101 C2 UA 109101 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до області електричних вимірювань і може застосовуватися для контролю змін інтегрального складу речовини в хімічній промисловості, добувній промисловості, в системах контролю відпрацьованих газів двигунів внутрішнього згоряння або в аналогічних комплексних системах, де вкрай важливим є завдання моніторингу зміни інтегрального складу речовини, що знаходиться в будь-якому агрегатному стані. Досить добре відомі методи контролю змін складу речовини, такі як: парамагнітні, електрохімічні, термокаталітичні, оптичні (див., наприклад, Турічин A.M. Електричні вимірювання неелектричних величин / A.M. Турічин, Б.Е. Аршанський, І.А. Зограф та ін. / Під загальною ред. П.В. Новіцького. - М. - Л.: Енергія, 1966. - 690 с). У кожного є свої переваги та недоліки. При цьому всі вказані способи контролю інтегрального складу речовини вимагають постійного догляду за датчиками або працюють з речовиною лише в одному з її агрегатних станів, що може виявитися неприйнятним у ряді застосувань. Найбільш близьким до винаходу є спосіб контролю змін інтегрального складу газового середовища, описаний в патенті України № 106183, опублікованому 25.07.2014. Даний спосіб припускає наявність замкнутої хвилевідної кільцевої структури, в якій знаходиться газоподібна речовина, інтегральний склад якої підлягає контролю. Електромагнітна хвиля з початковою високою частотою коливань f0 багато разів проходить по кільцевій структурі, при цьому кожного разу здійснюють зсув її частоти на деяку малу величину F. Частину енергії трансформованих по частоті коливань подають в змішувач, куди подають також частину енергії початкових високочастотних коливань з частотою f0 . У змішувачі здійснюють перемножування цих коливань і виділення, за допомогою фільтруючої системи, комбінаційної низькочастотної складової різниці. Частота налаштування фільтруючого ланцюга, складає NF, відповідно, на виході фільтруючої системи виділяється комбінаційна складова різниці початкових коливань і коливань, що пройшли по хвилевідній структурі N разів. Система характеризується відомою точністю і чутливістю контролю змін інтегрального складу газового середовища і відсутністю необхідності догляду за її вузлами і, як наслідок, тривалим терміном безперервної експлуатації. Проте, система розрахована на контроль змін інтегрального складу газового середовища і, в деяких випадках, рідини, які можуть вільно заповнювати хвилевідну структуру. Контролювати зміни інтегрального складу сипкої речовини досить проблематично і зовсім неприйнятно для твердої речовини. Крім того, сама хвилевідна структура зі всіма вхідними до її складу елементами, досить складна у виготовленні. В основу винаходу поставлена задача контролю змін інтегрального складу речовини в будьякому його агрегатному стані зі збільшеною чутливістю і точністю. Поставлена задача вирішується таким чином. Спосіб контролю змін інтегрального складу речовини, по якій спочатку генерують низькочастотні коливання з відомою частотою NF, яку потім ділять на N і отримують низькочастотні опорні коливання з частотою F, крім того, спочатку генерують безперервні мікрохвильові коливання з відомою частотою f0 , при цьому мікрохвильові коливання через перший спрямований відгалужувач випромінюють у контрольовану речовину, при цьому мікрохвильові коливання при проходженні об'єму речовини відомої довжини набувають набігу фази, який пропорційний довжині проходу електромагнітної хвилі в речовині та її інтегральній діелектричній проникності, при цьому мікрохвильові коливання, що пройшли через речовину, подають на сигнальний вхід керованого мікрохвильового фазообертача, на керуючий вхід якого подають низькочастотний сигнал з частотою F, при цьому за допомогою фазообертача здійснюють зсув частоти мікрохвильового сигналу на частоту F низькочастотного генератора, при цьому трансформовані по частоті мікрохвильові коливання з частотою f1  f0  F подають на вхід мікрохвильового підсилювача, за допомогою якого компенсують втрати енергії мікрохвильового сигналу, що мають місце в керованому фазообертачі та в середовищі поширення, при цьому підсилені і трансформовані по частоті мікрохвильові коливання знов багато разів пропускають через об'єм речовини відомої довжини і знов багато разів зсувають частоту мікрохвильових коливань, кожного разу на частоту F низькочастотного опірного сигналу, внаслідок чого отримують мікрохвильові коливання з частотою fN  f0  NF , при цьому частину енергії підсилених і трансформованих по частоті мікрохвильових коливань подають через другий спрямований відгалужувач на перший вхід змішувача, на другий вхід якого подають частину енергії початкових мікрохвильових коливань з частотою f0 , і після гомодинного перетворення сигналів в змішувачі на його виході отримують набір низькочастотних коливань з частотами F,2F,,NF, N  1F , і так далі, при цьому за допомогою вузькосмугового фільтра виділяють тільки коливання з частотою NF, при цьому з виходу вузькосмугового фільтра сигнал 1 UA 109101 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 з частотою NF підсилюють і подають на перший вхід фазового детектора, при цьому на другий вхід фазового детектора подають сигнал низькочастотного опорного генератора з такою ж частотою NF, при цьому сигнал з виходу фазового детектора подають на індикаторний пристрій і контролюють зміни інтегрального складу речовини, який відрізняється тим, що частина енергії первинно згенерованих мікрохвильових коливань, через перший мікрохвильовий направлений відгалужувач, суміщений з відрізком мікрохвильової лінії передачі, один кінець якої замикають накоротко, а її другий, сигнальний вивід підключають до першої мікрохвильової антени, направляють у бік першої мікрохвильової антени, за допомогою якої випромінюють електромагнітну хвилю, що поширюється в контрольованій речовині будь-якого агрегатного стану, після проходу електромагнітної хвилі об'єму контрольованої речовини цю хвилю уловлюють другою мікрохвильовою антеною і подають на перший мікрохвильовий вивід керованого фазообертача, при цьому за період T низькочастотного сигналу управління з частотою F фазу мікрохвильового сигналу монотонно змінюють від 0 до  , після чого мікрохвильовий сигнал з другого мікрохвильового виводу керованого фазообертача подають на вхід/вихід однопортового мікрохвильового підсилювача, де його підсилюють, після чого підсилений сигнал знов подають на другий мікрохвильовий вивід керованого фазообертача, де знов фазу мікрохвильового сигналу монотонно змінюють від 0 до  за період T низькочастотного сигналу керування, внаслідок чого отримують зсув частоти початкових мікрохвильових коливань f1  f0  F , після чого трансформований по частоті мікрохвильовий сигнал за допомогою другої мікрохвильової антени знов випромінюють в контрольовану речовину, після чого першою мікрохвильовою антеною сигнал, що пройшов через контрольовану речовину двічі, уловлюють і подають на сигнальний вивід відрізку мікрохвильової лінії передачі, після чого відбитий від короткозамикача мікрохвильовий сигнал знов за допомогою першої мікрохвильової антени випромінюють в контрольовану речовину, знов уловлюють другою мікрохвильовою антеною, знов пропускають через керований мікрохвильовий фазообертач, знов підсилюють однопортовим мікрохвильовим підсилювачем, знов пропускають через керований мікрохвильовий фазообертач, отримуючи тим самим зсув частоти f2  f0  2F , знов випромінюють в контрольовану речовину, знов уловлюють першою мікрохвильовою антеною, після цього описаний процес повторюють багато разів доти, поки частота мікрохвильового сигналу не стане рівною fN  f0  NF , при цьому частина енергії прийнятих першою мікрохвильовою антеною мікрохвильових коливань через другий мікрохвильовий направлений відгалужувач, суміщений з відрізком мікрохвильової лінії передачі, подають на вхід мікрохвильового змішувача, потім виділяють комбінаційну складову з частотою NF і вимірюють різницю фаз між цією комбінаційною складовою і початковим низькочастотним сигналом з частотою NF і, таким чином, отримують сигнал пропорційний набігу фази мікрохвильового сигналу, при його 2N- кратному проходженні через об'єм контрольованої речовини, при цьому, за зміною різниці фаз, що відображається за допомогою індикаторного пристрою, контролюють зміни інтегрального складу речовини, що знаходиться в будь-якому агрегатному стані з підвищеною чутливістю і точністю. Порівняння передбачуваного способу вимірювання інтегрального складу речовини з вже відомим способом і прототипом показує, що система побудована за способом, що заявляється, дозволяє проводити аналіз змін інтегрального складу речовини в будь-якому його агрегатному стані з підвищеною точністю. При цьому додатковий корисний набіг фази мікрохвильового сигналу, викликаний щонайменшими відхиленнями діелектричної проникності речовини, можна отримати шляхом 2N - кратного проходження електромагнітної хвилі через об'єм контрольованої речовини будь-якого агрегатного стану, що забезпечує збільшену удвічі чутливість системи і, як наслідок, збільшену точність. Суть винаходу пояснює креслення. Пристрій складається з генератора мікрохвильових коливань 1, мікрохвильового дільника потужності 2, першого мікрохвильового спрямованого відгалужувача 3, другого мікрохвильового спрямованого відгалужувача 4, відрізка закороченої з одного кінця мікрохвильової лінії передачі 5, першої мікрохвильової антени 6, другої мікрохвильової антени 7, керованого мікрохвильового фазообертача 8, однопортового мікрохвильового підсилювача 9, мікрохвильового змішувача 10, вузькосмугового фільтра 11, підсилювача низької частоти 12, фазового детектора 13, генератора низької частоти 14, дільника частоти 15, індикаторного пристрою 16, контрольованої речовини 17. Вихід генератора мікрохвильових коливань 1 з'єднаний зі входом мікрохвильового дільника потужності 2, причому перший вихід мікрохвильового дільника потужності 2 з'єднаний зі входом першого мікрохвильового спрямованого відгалужувача 3, другий вихід мікрохвильового дільника 2 UA 109101 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 потужності 2 з'єднаний з першим входом мікрохвильового змішувача 10, а вихід першого мікрохвильового спрямованого відгалужувача 3 з'єднаний зі вхідною частиною відрізку закороченої з одного кінця мікрохвильової лінії передачі 5, другий, сигнальний кінець якої з'єднаний з першою мікрохвильовою антеною 6, при цьому друга мікрохвильова антена 7 з'єднана з першим мікрохвильовим виводом керованого мікрохвильового фазообертача 8, другий мікрохвильовий вивід якого з'єднаний зі входом/виходом однопортового мікрохвильового підсилювача 9, при цьому вхід другого мікрохвильового спрямованого відгалужувача 4 з'єднаний з вихідною частиною відрізку закороченої з одного кінця мікрохвильової лінії передачі 5, при цьому вихід другого мікрохвильового спрямованого відгалужувача 4 з'єднаний з другим входом мікрохвильового змішувача 10, вихід якого з'єднаний зі входом вузькосмугового фільтра 11, вихід якого з'єднаний зі входом підсилювача низької частоти 12, вихід якого з'єднаний з першим входом фазового детектора 13, другий вхід якого з'єднаний з виходом генератора низької частоти 14, причому вихід фазового детектора 10 з'єднаний з входом індикаторного пристрою 16, причому вихід генератора низької частоти 14 з'єднаний також зі входом дільника частоти 15, вихід якого з'єднаний з входом керування мікрохвильового керованого фазообертача 8. Пристрій, що реалізовує запропонований спосіб контролю змін інтегрального складу речовини, працює таким чином. Спочатку генерують низькочастотні коливання з відомою частотою NF за допомогою генератора низької частоти 14, яку потім ділять на N дільником частоти 15 і отримують низькочастотні опірні коливання з частотою F і початковою фазою 9. Окрім цього, спочатку генерують мікрохвильові коливання з частотою f0 , амплітудою U0 і початковою фазою 0 за допомогою генератора мікрохвильових коливань 1, описувані виразом: u0 t   U0 sin2f0t  0  . Частину енергії мікрохвильових коливань, через мікрохвильовий дільник потужності 2 і перший мікрохвильовий спрямований відгалужувач 3, подають на вхідну частину відрізку закороченої з одного кінця мікрохвильової лінії передачі 5, при цьому мікрохвильові коливання спрямовують у бік першої мікрохвильової антени 6. Пройшовши контрольовану речовину 17, прийняті другою мікрохвильовою антеною 7 мікрохвильові коливання отримують набіг фази і описуються наступним виразом u1t   K1U0 sin2f0t  0  kd  , де K1 - якийсь приведений коефіцієнт загасання електромагнітної хвилі, що отримується з урахуванням коефіцієнтів передачі першого направленого відгалужувача 3, мікрохвильових антен 6 і 7, загасання в контрольованій речовині 17, k - хвилеве число мікрохвильового сигналу, d - загальний лінійний розмір контрольованої речовини 17. Прийняті антеною 7 мікрохвильові коливання спочатку пропускають через керований мікрохвильовий фазообертач 8 в один бік, а потім, після підсилення в однопортовому мікрохвильовому підсилювачі 9 (виконаному, наприклад, згідно з патентом України № 102751) цих мікрохвильових коливань, їх пропускають через мікрохвильовий керований фазообертач 8 в інший бік. За кожен прохід фазу мікрохвильового сигналу монотонно змінюють від 0 до  за період T  1/ F низькочастотного сигналу управління. Сумарна зміна фази мікрохвильового сигналу складе від 0 до 2 . Таким чином, мікрохвильовий сигнал отримує зсув частоти і описується наступним виразом u2 t   K2U0 sin2f0  Ft  0  kd   , де K 2 - приведений коефіцієнт передачі з урахуванням підсилення однопортовим мікрохвильовим підсилювачем. Трансформовані по частоті мікрохвильові коливання через другу мікрохвильову антену 7 знов випромінюють в контрольовану речовину і приймають першою мікрохвильовою антеною 6. Прийнятий сигнал описується наступним виразом: u3 t   K3U0 sin2f0  Ft  0  kd  kd   , де k - хвильове число з урахуванням зміни частоти мікрохвильових коливань. Якщо прийняти, що f0  F , то k  k . Прийнятий першою мікрохвильовою антеною 6 сигнал, пройшовши відрізок лінії передачі 5, відбивається від його кінця і знов випромінюється в контрольовану речовину. Процес повторюється, і знов прийнятий першою мікрохвильовою антеною сигнал матиме вигляд: 3 UA 109101 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 u2 t   KRU0 sin2f0  2Ft  0  2  4kd , де KR - приведений амплітудний множник. Після чого процес повторюють багато разів і в черговий, N-й раз, прийнятий першою мікрохвильовою антеною 6 сигнал матиме вигляд: uNt   KNU0 sin2f0  NF t  0  N  2Nkd  , де KN - деякий приведений коефіцієнт передачі всього тракту. Через другий мікрохвильовий спрямований відгалужувач 4 частина енергії прийнятих мікрохвильових коливань, що прямують до закороченого кінця відрізку мікрохвильової лінії передачі 5, подають на другий вхід мікрохвильового змішувача 10, на перший вхід якого подають через мікрохвильовий дільник потужності 2 частину енергії початкових мікрохвильових коливань. У змішувачі 10 здійснюють гомодинне перетворення цих сигналів, і на виході змішувача отримують набір різних комбінаційних складових з різними кратними частотами F,2F,,NF, N  1F , і так далі. Вузькосмуговий фільтр 11 настроюють на частоту NF і виділяють сигнал з цією частотою, після чого його підсилюють низькочастотним підсилювачем 12. На виході підсилювача 12 отримують низькочастотний сигнал, що має вигляд: uMt   UM sin2NFt  N  2Nkd  , де UM - приведена амплітуда низькочастотного сигналу. Видно, що в даному виразі відсутні параметри початкових мікрохвильових коливань, оскільки вони взаємно віднімаються. Цей низькочастотний інформаційний сигнал різницевої складової подають на перший вхід фазового детектора 13, на другий вхід якого подають опорний низькочастотний сигнал з первинною частотою NF від низькочастотного генератора 14. Різницю фаз інформаційного і опорного сигналів визначають як: 4N   2Nkd  d , в де  в - довжина хвилі в середовищі поширення,  - інтегральна відносна діелектрична проникність речовини 17. На виході фазового детектора 13 отримують інформаційний сигнал, який подають на вхід індикаторного пристрою 16. На виході індикаторного пристрою 16 спостерігають за змінами відносної діелектричної проникності речовини. Таким чином, за пропонованим методом можна контролювати з підвищеною чутливістю і точністю зміни інтегральної діелектричної проникності речовини, що перебуває в будь-якому агрегатному стані. Народно-господарський ефект від використання винаходу пов'язаний із створенням системи, яка дає можливість аналізувати властивості середовища поширення мікрохвиль за результатами вимірювань змін набігу фази мікрохвильових коливань, що має підвищену точність визначення змін інтегрального складу речовини, яка може перебувати в будь-якому агрегатному стані. Перевага аналізатора змін інтегрального складу речовини, побудованого на підставі запропонованого методу, в порівнянні з відомими способами і прототипом, полягає в досягненні підвищеної в 2 рази чутливості і точності вимірювань, а також у тому, що контрольована речовина може перебувати в будь-якому агрегатному стані і навіть переходити з одного в інший стан. Система, споруджена за способом, що заявляється, на відміну від недовговічних термохімічних, дорогих оптичних, каталітичних і інших аналізаторів, несприйнятлива до пилу і забруднень, не характеризується старінням елементів системи. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 50 55 Спосіб контролю змін інтегрального складу речовини, згідно з яким генерують низькочастотні коливання з відомою частотою NF, яку потім ділять на N і отримують низькочастотні опорні коливання з частотою F , крім того, генерують безперервні мікрохвильові коливання з відомою частотою f0 , при цьому мікрохвильові коливання через перший направлений відгалужувач випромінюють у контрольовану речовину, при цьому мікрохвильові коливання, що пройшли через речовину, подають на сигнальний вхід керованого мікрохвильового фазообертача, на керуючий вхід якого подають низькочастотний сигнал з частотою F , при цьому за допомогою фазообертача здійснюють зсув частоти мікрохвильового сигналу на частоту F низькочастотного генератора, за допомогою мікрохвильового підсилювача компенсують втрати енергії мікрохвильового сигналу, що мають місце в керованому фазообертачі та в середовищі поширення, при цьому підсилені і трансформовані по частоті мікрохвильові коливання знов 4 UA 109101 C2 5 10 15 20 25 30 пропускають через об'єм речовини відомої довжини і знов зсувають частоту мікрохвильових коливань, кожного разу на частоту F низькочастотного опірного сигналу, доки не отримають мікрохвильові коливання з частотою fN  f0  NF , при цьому частину енергії підсилених і трансформованих по частоті мікрохвильових коливань подають через другий спрямований відгалужувач на перший вхід змішувача, на другий вхід якого подають частину енергії початкових мікрохвильових коливань з частотою f0 , і після гомодинного перетворення сигналів в змішувачі на його виході отримують набір низькочастотних коливань з частотами F,2F,,NF, N  1F і так далі, при цьому за допомогою вузькосмугового фільтра виділяють тільки коливання з частотою NF, при цьому з виходу вузькосмугового фільтра сигнал з частотою NF підсилюють і подають на перший вхід фазового детектора, при цьому на другий вхід фазового детектора подають сигнал низькочастотного опорного генератора з такою ж частотою NF, при цьому сигнал з виходу фазового детектора подають на індикаторний пристрій і контролюють зміни інтегрального складу речовини, який відрізняється тим, що перший мікрохвильовий направлений відгалужувач суміщають з відрізком мікрохвильової лінії передачі, один кінець якої замикають накоротко, а її другий сигнальний вивід підключають до першої мікрохвильової антени, за допомогою якої випромінюють електромагнітну хвилю, яку уловлюють другою мікрохвильовою антеною і подають на перший мікрохвильовий вивід керованого фазообертача, при цьому за період T низькочастотного сигналу керування з частотою F фазу мікрохвильового сигналу монотонно змінюють від 0 до  , після чого мікрохвильовий сигнал з другого мікрохвильового виводу керованого фазообертача подають на вхід/вихід однопортового мікрохвильового підсилювача, де його підсилюють, після чого підсилений сигнал знов подають на другий мікрохвильовий вивід керованого фазообертача, де знов фазу мікрохвильового сигналу монотонно змінюють від 0 до  за період T низькочастотного сигналу керування, внаслідок чого отримують зсув частоти початкових мікрохвильових коливань f1  f0  F , після чого трансформований по частоті мікрохвильовий сигнал за допомогою другої мікрохвильової антени знов випромінюють в контрольовану речовину, після чого першою мікрохвильовою антеною сигнал, що пройшов через контрольовану речовину двічі, уловлюють і подають на сигнальний вивід відрізку мікрохвильової лінії передачі, після чого відбитий від короткозамикача мікрохвильовий сигнал знов за допомогою першої мікрохвильової антени випромінюють в контрольовану речовину, повторюючи процес, доки не отримають мікрохвильові коливання з частотою fN  f0  NF . Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5