RU2601275C1

RU2601275C1 - Device for measuring concentration of loose material

Info

Publication number: RU2601275C1
Application number: RU2015126887/28A
Authority: RU
Inventors: Гурам Николаевич Ахобадзе
Priority date: 2015-07-06
Filing date: 2015-07-06
Publication date: 2016-10-27

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment and can be used in process control systems. Device for measuring concentration of loose material, moving through a pipeline comprises a measuring insert in form of a flat capacitor with first and second plates and a first power supply unit. Technical result is achieved due to that device comprises a microwave generator with frequency tuning, provided with a varactor and power supply circuit, second power supply unit and frequency meter with coaxial-waveguide junction. Flat capacitor is connected to first power supply unit and varactor of generator, output of second power supply unit is connected to power supply circuit of microwave generator, frequency meter with coaxial-waveguide junction is connected to output of microwave generator with frequency tuning.

EFFECT: simple procedure of measuring concentration and high measurement accuracy.

1 cl, 1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами.The present invention relates to the field of measuring equipment and can be used in process control systems.

Известно устройство, реализующее способ измерения концентрации веществ в средах (RU 2275625 C1, 27.04.2006), содержащее два одинаковых емкостных датчика и регулируемую индуктивность или два одинаковых индуктивных датчика и регулируемую емкость, внутри которых размещены эталонный образец и образец испытуемой среды. Эти датчики, образующие колебательные контуры, подключены к генератору высокочастотных колебаний синусоидального напряжения через ограничительное сопротивление и нуль-индикатор.A device is known that implements a method for measuring the concentration of substances in media (RU 2275625 C1, 04/27/2006), containing two identical capacitive sensors and an adjustable inductance or two identical inductive sensors and an adjustable capacitance, inside which a reference sample and a sample of the test medium are placed. These sensors, which form oscillatory circuits, are connected to a generator of high-frequency oscillations of a sinusoidal voltage through a limiting resistance and a zero indicator.

В этом техническом решении измерение концентрации веществ заключается в размещении образца испытуемой среды внутри емкостного или индуктивного датчиков, включенных в колебательные контуры, измерении параметров колебательного контура и сравнении их с эталонными значениями для образцов испытуемых сред, и оценке результатов сравнения, по которым судят о характеристиках образца испытуемой среды. Перед измерением параметров колебательного контура в него помещают поочередно эталонный образец и образец испытуемой среды, затем поочередно настраивают их колебательные контуры в резонансный режим и измеряют параметры этих колебательных контуров.In this technical solution, the measurement of the concentration of substances consists in placing a sample of the test medium inside the capacitive or inductive sensors included in the oscillatory circuits, measuring the parameters of the oscillating circuit and comparing them with the reference values for the samples of the test media, and evaluating the comparison results by which the characteristics of the sample are judged test medium. Before measuring the parameters of the oscillatory circuit, a reference sample and a sample of the test medium are placed in it one by one, then their oscillatory circuits are alternately tuned to the resonant mode and the parameters of these oscillatory circuits are measured.

Недостатком этого известного технического решения является сложность процедуры измерения концентрации веществ, связанная с размещением в пространство внутри датчиков эталонного образца и образца испытуемой среды, а также поочередное настраивание в резонанс колебательных контуров.The disadvantage of this known technical solution is the complexity of the procedure for measuring the concentration of substances associated with the placement in the space inside the sensors of the reference sample and the sample of the test medium, as well as sequential tuning into resonance of the oscillatory circuits.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятый автором за прототип измеритель расхода двухфазного потока сыпучих диэлектрических материалов, перемещаемых воздухом по металлическому трубопроводу (RU 2435141 C1, 27.11.2011).The closest technical solution to the proposed one is the meter adopted by the author for the prototype two-phase flow meter of a flow of bulk dielectric materials transported by air through a metal pipe (RU 2435141 C1, 11.27.2011).

Данный измеритель содержит измерительную вставку из диэлектрического материала, встроенную в металлический трубопровод, на которой расположены обкладки измерительного конденсатора, соединенные последовательно с обкладками регистрирующего конденсатора с диэлектрической вставкой из поляризуемого напряжением кристалла ниобата лития (LiNbO3). При этом с одной стороны от регистрирующего конденсатора размещены поляризатор света и лазерный излучатель, а с другой стороны - анализатор света и фотоприемник, выход которого соединен с усилителем, выход усилителя соединен с микропроцессором, выход последнего подключен к индикатору.This meter contains a measuring insert made of a dielectric material embedded in a metal pipe, on which are located the plates of the measuring capacitor, connected in series with the plates of the recording capacitor with a dielectric insert from a voltage-polarized lithium niobate crystal (LiNbO3). Moreover, on the one hand from the recording capacitor there is a light polarizer and a laser emitter, and on the other hand, a light analyzer and a photodetector, the output of which is connected to an amplifier, the output of the amplifier is connected to a microprocessor, and the output of the latter is connected to an indicator.

Прохождение сыпучего материала по трубопроводу вызывает изменение емкости измерительного конденсатора, пропорциональной изменению концентрации материала в объеме измерительной ставки. Это в свою очередь приводит к изменению напряженности электрического поля в регистрирующем конденсаторе. В результате лазерное излучение при прохождении через регистрирующий конденсатор становится амплитудно-модулированным. Этот амплитудно-модулированный сигнал в зависимости от концентрации проходящего через измерительную ставку объема вещества после соответствующих преобразований используется в качестве информационного параметра о концентрации сыпучего диэлектрического материала.The passage of bulk material through the pipeline causes a change in the capacitance of the measuring capacitor, proportional to the change in the concentration of the material in the volume of the measuring rate. This in turn leads to a change in the electric field strength in the recording capacitor. As a result, laser radiation when passing through a recording capacitor becomes amplitude-modulated. This amplitude-modulated signal, depending on the concentration of the volume of the substance passing through the measuring rate after the appropriate transformations, is used as an information parameter on the concentration of bulk dielectric material.

Недостатком этого известного измерителя можно считать сложность процедуры амплитудной модуляции лазерного излучения на поперечном эффекте Поккельса при прохождении через регистрирующий конденсатор светового потока.The disadvantage of this known meter can be considered the complexity of the procedure for amplitude modulation of laser radiation on the transverse Pokels effect when passing through the recording capacitor of the light flux.

Техническим результатом заявляемого технического решения является упрощение процедуры измерения концентрации и повышение точности измерения.The technical result of the proposed technical solution is to simplify the procedure for measuring concentration and increasing the accuracy of the measurement.

Технический результат достигается тем, что устройство для измерения концентрации сыпучего материала, перемещаемого по трубопроводу, содержит измерительную вставку в виде плоского конденсатора с первой и второй обкладками и первый блок питания. В устройство введены микроволновой генератор с перестройкой частоты, снабженный варактором и цепью питания, второй блок питания и частотомер с коаксиально-волноводным переходом, причем плоский конденсатор соединен с первым блоком питания и варактором генератора, выход второго блока питания соединен с цепью питания микроволнового генератора, частотомер с коаксиально-волноводным переходом подключен к выходу микроволнового генератора с перестройкой частоты.The technical result is achieved by the fact that the device for measuring the concentration of bulk material transported through the pipeline contains a measuring insert in the form of a flat capacitor with first and second plates and a first power supply. A microwave generator with frequency tuning, equipped with a varactor and a power circuit, a second power supply and a frequency meter with a coaxial waveguide transition, a flat capacitor connected to the first power supply and a generator varactor, the output of the second power supply connected to a microwave generator power circuit, a frequency meter with a coaxial-waveguide transition connected to the output of a microwave generator with frequency tuning.

Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что измерение частоты микроволнового генератора с варакторной перестройкой частоты дает возможность получить информацию о величине концентрации сыпучего материала, перемещаемого по трубопроводу.The essence of the claimed invention, characterized by a combination of the above features, is that measuring the frequency of a microwave generator with varactor frequency tuning makes it possible to obtain information about the concentration of bulk material transported through the pipeline.

Наличие в заявляемом устройстве совокупности перечисленных существующих признаков позволяет решить задачу измерения концентрации сыпучего материала на основе измерения частоты микроволнового генератора с варакторной перестройкой частоты с желаемым техническим результатом, т.е. упрощением процедуры измерения концентрации и повышением точности измерения.The presence in the inventive device of the totality of the listed existing features allows us to solve the problem of measuring the concentration of bulk material based on measuring the frequency of a microwave generator with varactor frequency tuning with the desired technical result, i.e. simplification of the concentration measurement procedure and increase of measurement accuracy.

На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства.The drawing shows a functional diagram of the proposed device.

Данное устройство содержит первый блок питания 1, измерительную ставку (плоский конденсатор) 2, микроволновой генератор с варакторной перестройкой частоты 3, второй блок питания 4 и частотомер 5.This device contains a first power supply 1, a measuring rate (flat capacitor) 2, a microwave generator with varactor frequency tuning 3, a second power supply 4 and a frequency meter 5.

Устройство работает следующим образом. При перемещении диэлектрического сыпучего материала через первый и второй обкладки измерительной вставки 2 (плоского конденсатора), встроенной в металлический трубопровод, емкость этого чувствительного элемента изменяется пропорционально концентрации сыпучего материала. Согласно данному техническому решению обкладки этого измерительного плоского конденсатора подключаются к варактору-диоду микроволнового генератора с перестройкой частоты 3 и первому блоку питания 1.The device operates as follows. When moving the dielectric bulk material through the first and second plates of the measuring insert 2 (flat capacitor) built into the metal pipe, the capacity of this sensitive element changes in proportion to the concentration of the bulk material. According to this technical solution, the plates of this measuring flat capacitor are connected to the varactor diode of the microwave generator with frequency tuning 3 and the first power supply 1.

Как известно, варактор-диод (цепь, состоящая из емкости и сопротивления) в микроволновом генераторе, например, на лавинно-пролетном диоде, играет роль емкости, управляющей постоянным напряжением, подаваемым на этот диод. При подаче постоянного напряжения на эту цепь (варактор) частота микроволнового генератора перестраивается. При этом увеличение напряжения на варакторе приводит к уменьшению емкости варактора, что в свою очередь обусловливает увеличение частоты генератора до определенного значения. А уменьшение напряжения на варакторе, наоборот, приводит к увеличению емкости варактора-диода, т.е. уменьшению частоты генератора.As you know, a varactor diode (a circuit consisting of capacitance and resistance) in a microwave generator, for example, on an avalanche-span diode, plays the role of a capacitance that controls the constant voltage supplied to this diode. When applying a constant voltage to this circuit (varactor), the frequency of the microwave generator is tuned. In this case, an increase in the voltage on the varactor leads to a decrease in the capacitance of the varactor, which in turn leads to an increase in the frequency of the generator to a certain value. A decrease in the voltage on the varactor, on the contrary, leads to an increase in the capacitance of the varactor diode, i.e. decrease the frequency of the generator.

В данном техническом решении измерительный конденсатор (измерительная вставка) подключается, например, параллельно емкости варактора, что в свою очередь приведет к изменению емкости варакторной цепи генератора при изменении емкости измерительного конденсатора. Если подать постоянное напряжение на параллельно соединенные емкость варактора и измерительную емкость, то при отсутствии сыпучего материала между первой и второй обкладками измерительного конденсатора частота генератора перестроится за счет изменения емкости варактора (емкость измерительного конденсатора не изменяется).In this technical solution, the measuring capacitor (measuring insert) is connected, for example, parallel to the varactor capacitance, which in turn will lead to a change in the capacitance of the varactor circuit of the generator with a change in the capacitance of the measuring capacitor. If a constant voltage is applied to the parallel connected varactor capacitance and the measuring capacitance, then in the absence of bulk material between the first and second plates of the measuring capacitor, the generator frequency will be tuned by changing the varactor capacitance (the capacitance of the measuring capacitor does not change).

Согласно предлагаемому устройству сначала перестраивают частоту микроволнового генератора изменением емкости варактора (подвод на варактор постоянного максимального напряжения с первого блока питания). После этого фиксируют максимальную частоту генератора при его перестройке и отсутствии материала между обкладками измерительного конденсатора. В силу этого по максимальной частоте генератора можно судить об отсутствии материала в измерительной вставке, т.е. о нулевой концентрации. Следовательно, если обеспечить постоянство напряжения на варакторе и менять емкость измерительного конденсатора, подключенного параллельно емкости варактора, то при постоянстве емкости варактора частота генератора перестроится изменением емкости измерительного конденсатора (емкость варактора не меняется).According to the proposed device, the frequency of the microwave generator is first tuned by changing the varactor capacity (supplying a constant maximum voltage to the varactor from the first power supply). After that, the maximum frequency of the generator is fixed during its tuning and the absence of material between the plates of the measuring capacitor. Due to this, the maximum frequency of the generator can be used to judge the absence of material in the measuring insert, i.e. about zero concentration. Therefore, if the voltage across the varactor is constant and the capacitance of the measuring capacitor connected in parallel with the varactor capacitance is changed, then with constant varactor capacitance, the generator frequency will be tuned by changing the capacitance of the measuring capacitor (the varactor capacitance does not change).

Как уже было сказано выше, протекание сыпучего диэлектрического материала через обкладки измерительного конденсатора обусловливает увеличение емкости пропорционально концентрации контролируемого вещества. Отсюда следует, что увеличение емкости измерительного конденсатора при постоянной величине емкости варактора приведет к увеличению общей емкости двух параллельно соединенных емкостей. Так как в рассматриваемом случае перестройка частоты микроволнового генератора при постоянном напряжении на варакторе зависит только от увеличения емкости измерительного конденсатора, то все это приведет к уменьшению частоты генератора. Следовательно, частота генератора будет обратно пропорциональна концентрации сыпучего материала в измерительной вставке. Итак, при уменьшении частоты микроволнового генератора с варакторной перестройкой частоты можно судить об увеличении концентрации сыпучего диэлектрического материала в измерительной вставке, и, наоборот, при увеличении частоты - об уменьшении концентрации.As mentioned above, the flow of bulk dielectric material through the plates of the measuring capacitor causes an increase in capacitance in proportion to the concentration of the controlled substance. It follows that an increase in the capacitance of the measuring capacitor at a constant value of the varactor capacitance will lead to an increase in the total capacitance of two capacitors connected in parallel. Since in the case under consideration, the frequency tuning of the microwave generator at a constant voltage across the varactor depends only on an increase in the capacitance of the measuring capacitor, all this will lead to a decrease in the frequency of the generator. Therefore, the frequency of the generator will be inversely proportional to the concentration of bulk material in the measuring insert. So, with a decrease in the frequency of a microwave generator with varactor frequency tuning, one can judge about an increase in the concentration of bulk dielectric material in the measuring insert, and, conversely, with an increase in frequency, a decrease in concentration.

В предлагаемом устройстве перестройку частоты микроволнового генератора 3, при отсутствии сыпучего материала между обкладками измерительной вставки 2, производят постоянным напряжением первого блока питания 1, подаваемым на варактор генератора. Предварительно, для генерирования электромагнитных колебаний генератором, на его цепь питания с выхода второго блока питания 4 подают напряжение. В рассматриваемом случае для фиксации частоты микроволнового генератора и ее измерения используют частотомер 5, который подключен к выходу (волноводному) генератора с помощью коаксиально-волноводного перехода.In the proposed device, the frequency tuning of the microwave generator 3, in the absence of bulk material between the plates of the measuring insert 2, is carried out by direct voltage of the first power supply 1, supplied to the generator varactor. Previously, to generate electromagnetic oscillations by the generator, a voltage is supplied to its power circuit from the output of the second power supply 4. In the case under consideration, a frequency meter 5 is used to fix the frequency of the microwave generator and measure it, which is connected to the output of the (waveguide) generator using a coaxial waveguide transition.

Таким образом, в предлагаемом техническом решении, основанном на измерении частоты микроволнового генератора с варакторной перестройкой частоты, можно обеспечить упрощение процедуры измерения концентрации сыпучего материала и повышение точности измерения.Thus, in the proposed technical solution based on measuring the frequency of a microwave generator with varactor frequency tuning, it is possible to simplify the procedure for measuring the concentration of bulk material and increase the accuracy of the measurement.

Данное устройство успешно может быть использовано для контроля и учета строительных сыпучих материалов, пищевой и фармацевтической продукций при пневмотраспортировнии их по трубопроводам.This device can be successfully used to control and record building bulk materials, food and pharmaceutical products during pneumatic distribution of them through pipelines.

Claims

A device for measuring the concentration of bulk material transported through a pipeline containing a measuring insert in the form of a flat capacitor with first and second plates and a first power supply unit, characterized in that a frequency-tuned microwave generator is introduced into it, equipped with a varactor and a power circuit, a second power unit and a frequency meter with a coaxial-waveguide transition, with a flat capacitor connected to the first power supply and the generator varactor, the output of the second power supply connected to the mic ovolnovogo oscillator frequency with coaxial-waveguide transition coupled to the output of the microwave oscillator with frequency tuning.