Высокочувствительный СВЧ измеритель влагосодержания в неполярных диэлектрических жидкостях на основе ступенчатого неоднородного коаксиального резонатора
Рассматривается высокочувствительный измеритель влагосодержания в неполярных жидких диэлектриках. Аргументированы пути повышения чувствительности классического диэлькометрического метода. Приводиться описание разработанной конструкции измерителя влажности на основе ступенчатого неоднородного коакс...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Електротехніка і електромеханіка |
|---|---|
| Datum: | 2016 |
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
2016
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147264 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Высокочувствительный СВЧ измеритель влагосодержания в неполярных диэлектрических жидкостях на основе ступенчатого неоднородного коаксиального резонатора / В.В. Рудаков, А.А. Коробко // Електротехніка і електромеханіка. — 2016. — № 5. — С. 51-56. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859792420326080512 |
|---|---|
| author | Рудаков, В.В. Коробко, А.А. |
| author_facet | Рудаков, В.В. Коробко, А.А. |
| citation_txt | Высокочувствительный СВЧ измеритель влагосодержания в неполярных диэлектрических жидкостях на основе ступенчатого неоднородного коаксиального резонатора / В.В. Рудаков, А.А. Коробко // Електротехніка і електромеханіка. — 2016. — № 5. — С. 51-56. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Електротехніка і електромеханіка |
| description | Рассматривается высокочувствительный измеритель влагосодержания в неполярных жидких диэлектриках.
Аргументированы пути повышения чувствительности классического диэлькометрического метода. Приводиться
описание разработанной конструкции измерителя влажности на основе ступенчатого неоднородного коаксиального
резонатора. Рассмотрены результаты анализа резонансных характеристик измерительного преобразователя, а
также определены величины объемного влагосодержания смесей трансформаторное масло – вода в диапазоне
влагосодержания (10 – 10⁴) cм³/м³
Розглядається високочутливий вимірювач вмісту вологи в неполярних рідких діелектриках. Аргументовано шляхи
підвищення чутливості класичного діелькометричного методу. Приводиться опис розробленої конструкції
вимірювача вологості на основі ступеневого неоднорідного коаксіального резонатора. Розглянуто результати аналізу
резонансних характеристик вимірювального перетворювача, а також визнченi величини об'ємного вмісту вологи
сумішей трансформаторне масло – вода в діапазоні вмісту вологи (10 – 10⁴) cм³/м³
Purpose. Objective is to create a moisture meter for non-polar
liquid dielectrics with low volumetric moisture content of more
than 10⁻³ %. Methodology. Moisture measuring is based on dielcometric method. It is implemented as a resonant method of determining a capacitance measuring transducer. Measuring transducer capacitive type has a working and parasitic capacitance. It
was suggested the definition of moisture on four of resonance
frequencies: when the measuring transducer is turned off, one by
one filled with air, «dry» and investigated liquid, to determine the
parasitic capacitance of the measuring generator, and the parasitic capacitance of the measuring transducer and humidity.
Measurement frequency was increased up to microwave range to
increase the sensitivity. Measuring transducer with distributed
parameters representing a step heterogeneous coaxial resonator
is used by. This measuring transducer has a zero stray capacitance, because the potential electrode has a galvanic connection
with an external coaxial electrode. Inductive ties loop is used to
neglect parasitic capacitance of the measuring generator, and to
increase the quality factor of the system. Measuring moisture is
reduced to measuring the two frequencies of resonance frequency
and «dry» and investigated liquid. Resonant characteristics
transducer in a step inhomogeneous coaxial resonator have been
investigated to determine the quality factor of filled with air and
transformer oil, and experiments to measure the moisture content
in transformer oil have been conducted. Results. Measuring
transducer of distributed type is developed and researched – it is
step inhomogeneous coaxial resonator. It has a smaller geometric
length and larger scatter of the first and second resonant frequencies. Expression is obtained for determination of moisture on the
basis of two resonant frequencies. The formula of the two frequencies to determine the moisture is correct. Resonant characteristics are obtained for measuring transducer. Its quality factor
has been determined – it does not depend on what it is filled with
air or oil. The moisture content in transformer oil for the amount
of water to 10-3 % with an error of no more than 6.7 % has been
determined. Originality. It has been proposed to use of an inhomogeneous step coaxial resonator as a measuring transducer.
Original high sensitive moisture meter for the fluid at rest and
flowing fluid with low values of parasitic capacitances has been
developed and researched. An original method of determining the
moisture by measuring the two frequencies of resonance has been
proposed and implemented. Practical value. This meter may be
used to determine moisture in any of the non-polar liquid with
high speed and accuracy. Moisture meter can be used in electrical
engineering, aeronautical engineering, in the chemical and food
industries
|
| first_indexed | 2025-12-02T11:58:46Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2016. №5 51
© В.В. Рудаков, А.А. Коробко
УДК 621.317.39.084.2 doi: 10.20998/2074-272X.2016.5.08
В.В. Рудаков, А.А. Коробко
ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ СВЧ ИЗМЕРИТЕЛЬ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ
В НЕПОЛЯРНЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЯХ НА ОСНОВЕ
СТУПЕНЧАТОГО НЕОДНОРОДНОГО КОАКСИАЛЬНОГО РЕЗОНАТОРА
Розглядається високочутливий вимірювач вмісту вологи в неполярних рідких діелектриках. Аргументовано шляхи
підвищення чутливості класичного діелькометричного методу. Приводиться опис розробленої конструкції
вимірювача вологості на основі ступеневого неоднорідного коаксіального резонатора. Розглянуто результати аналізу
резонансних характеристик вимірювального перетворювача, а також визнченi величини об'ємного вмісту вологи
сумішей трансформаторне масло – вода в діапазоні вмісту вологи (10 – 104) cм3/м3. Бібл. 6, табл. 1, рис. 8.
Ключовi слова: вимірювач вмісту вологи, рідкі неполярні діелектрики, вимірювальний перетворювач, ступінчастий
коаксіальний неоднорідний резонатор, вимірювальний генератор, резонасні характеристики, об'ємний вологовміст,
трансформаторна олія, вода.
Рассматривается высокочувствительный измеритель влагосодержания в неполярных жидких диэлектриках.
Аргументированы пути повышения чувствительности классического диэлькометрического метода. Приводиться
описание разработанной конструкции измерителя влажности на основе ступенчатого неоднородного коаксиального
резонатора. Рассмотрены результаты анализа резонансных характеристик измерительного преобразователя, а
также определены величины объемного влагосодержания смесей трансформаторное масло – вода в диапазоне
влагосодержания (10 – 104) cм3/м3. Библ. 6, табл. 1, рис. 8.
Ключевые слова: измеритель влагосодержания, жидкие неполярные диэлектрики, измерительный преобразователь
ступенчатый коаксиальный неоднородный резонатор, измерительный генератор, резонасные характеристики,
объемное влагосодержание, трансформаторное масло, вода.
Введение. Измерение влагосодержания в непо-
лярных жидких диэлектриках актуально для многих
практических применений, в частности: в электротех-
нике, химической, пищевой промышленностях, в во-
енной и авиационной технике. Так, для электротехни-
ки важным является определение влагосодержания
трансформаторного масла, для химической и пищевой
промышленности – определение влагосодержания в
различных минеральных маслах, для военной и авиа-
ционной техники – определение влагосодержания в
дизельном, авиационном топливе. В большинстве
указанных областей исследуемые жидкости (транс-
форматорное и подсолнечное масла, дизельное и
авиационное топлива и т.д.) являются неполярными
жидкими диэлектриками.
Следует отметить, что нижний предел измерения
влагосодержания во всех этих применениях является
очень малым: минимальная измеряемая величина
объемного влагосодержания составляет не более
10-3 %, что создает определенные трудности для про-
ведения этих измерений традиционными известными
методами. Традиционные методы, например, метод
Карла-Фишера и жидкостно-хроматографический
метод требуют специального оборудования, доста-
точно дорогих расходных материалов и довольно
длительного времени.
Целью работы является создание измерителя
влагосодержания в неполярных жидких диэлектриках
с нижним пределом объемного влагосодержания не
более 10-3 %, позволяющего оперативно проводить
измерения с минимальными материальными и вре-
менными затратами.
Обоснование путей решения поставленной за-
дачи. Для решения поставленной задачи был выбран
диэлькометрический метод измерения влагосодержа-
ния, основанный на зависимости влагосодержания от
диэлектрической проницаемости исследуемых обвод-
ненных неполярных жидких диэлектриков [1]. При
этом измеряемая диэлектрическая проницаемость,
которая пропорциональна влагосодержанию, характе-
ризует саму величину влагосодержания.
В развитии этого метода в работе [2] была пред-
ложена упрощенная модель эмульсии типа «вода –
неполярный диэлектрик», которая позволила доста-
точно просто определить величину объемного влаго-
содержания смеси W как функцию диэлектрических
проницаемостей смеси ε2 и обезвоженной неполярной
жидкости ε1 в следующем виде:
1
12
3
W . (1)
В работе [3] было предложено использование ре-
зонансного способа определения диэлектрических
проницаемостей ε1 и ε2, реализованного для измери-
тельного преобразователя (ИП) емкостного типа, за-
полняемого поочередно обезвоженной жидкостью и
исследуемой смесью (эмульсией). При этом ИП емко-
стного типа подключался к измерительному генера-
тору (ИГ), содержащему усилительную схему с об-
ратной связью и катушку индуктивности [3]. Неиз-
вестные значения ε1 и ε2 выражались через четыре
значения частоты генерации ИГ (частота ИГ с отклю-
ченным ИП, частота ИГ с ИП, заполненным возду-
хом, частота ИГ с ИП, заполненным исследуемой
обезвоженной жидкостью и частота ИГ с ИП, запол-
ненным исследуемой смесью) и значения конструк-
тивных параметров ИП. Данный подход позволил в
диапазоне частот ИГ от 100 кГц до 2 МГц практиче-
ски решить задачу определения влагосодержания не-
полярных диэлектриков в диапазоне 0,1 % ≤ W ≤ 10 %.
Однако использование при данном подходе систем
ИГ и ИП в виде сосредоточенных элементов (катушки
индуктивности для ИГ и измерительный конденсатор
52 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2016. №5
для ИП), которые обладали паразитными параметра-
ми, не позволили в полной мере реализовать возмож-
ности резонансной диэлькометрии для измерения
предельно малых уровней влагосодержания [3].
Выполненный анализ показывает, что основны-
ми направлениями повышения чувствительности
предложенного в [3] резонансного способа диэлько-
метрии являются: повышение рабочей частоты изме-
рений, минимизация паразитных емкостей индуктив-
ного элемента ИГ и ИП, повышение стабильности
частоты генерирования ИГ во всех четырех режимах,
максимальное сокращение числа измеряемых частот.
Для реализации указанных направлений автора-
ми был предложен ИП с распределенными парамет-
рами в виде ступенчатого неоднородного коаксиаль-
ного резонатора (СНКР) [4]. При этом были исследо-
ваны резонансные спектры СНКР в диапазоне частот
до 1,8 ГГц. В результате проведенных в [4] исследо-
ваний были выявлены существенные преимущества
ИП, выполненного в виде СНКР как по сравнению с
ИП с сосредоточенными параметрами, так и по срав-
нению с известными ИП СВЧ диапазона в виде одно-
родных четвертьволновых резонаторов.
Дальнейшее развитие теории применения
СНКР в резонансной диэлькометрии неполярных
жидких сред получило развитие в работе [5], в ко-
торой был проведен как математический анализ
электромагнитных процессов в СНКР, так и их
имитационное моделирование в среде Micro Cap.
Результатом этих исследований являлась оптимиза-
ция СНКР для целей диэлькометрии и определение
его метрологических характеристик. Исходя из вы-
шеизложенного, была принята следующая методо-
логия построения измерителя.
1. Влагосодержание смеси определяется по разнице
диэлектрических проницаемостей обезвоженной жид-
кости и смеси.
2. Для определения диэлектрических проницаемо-
стей ИП в виде СНКР подключается к ИГ и поочеред-
но заполняется обезвоженной жидкостью и смесью.
3. Рабочая частота ИГ выбирается максимально
возможной с учетом частотной дисперсии диэлектри-
ческой проницаемости воды.
4. СНКР и ИГ обладают минимальными значения-
ми паразитных параметров, что позволяет сократить
число измерений частоты с четырех до двух и сокра-
тить время эксперимента в 2 раза.
5. С целью повышения стабильности частоты, ге-
нерируемой ИГ, измерительный преобразователь вы-
полняется в виде системы с распределенными пара-
метрами: СНКР, который обладает существенно
большей добротностью, чем система «ИП – ИГ» с
сосредоточенными параметрами.
Описание измерителя. Блок-схема измерителя
приведена на рис.1. Используемый преобразователь
ИП, выполненный в виде СНКР, подключен к ИГ.
Частота генерации ИГ измеряется частотомером F, а
температура ИП – электронным термометром T .
ИП FT ИГ
Исследуемая жидкость
Исследуемая жидкость
Рис. 1. Блок-схема измерителя
Принципиальная электрическая схема измерите-
ля (ИП совместно с ИГ) приведена на рис. 2. На ней
измерительный преобразователь ИП в виде СКНР
образован двумя коаксиальными линиями Z1 и Z2
одинаковой длины с различными волновыми сопро-
тивлениями Z1 = 77,61 Ом, Z2 = 4,09 Ом. C помощью
индуктивной петли связи А измерительный преобра-
зователь подключен к ИГ на транзисторах Q1, Q2,
которые собраны по схеме: «общая база» (по выходу
ИГ) – «общий коллектор» (по входу ИГ).
Рис. 2. Принципиальная электрическая схема измерителя (ИП совместно с ИГ)
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2016. №5 53
Данное схемотехническое решение ИГ выбрано
для минимизации влияния паразитных параметров ИГ
на параметры ИП (каскад с «общей базой» обладает
максимальным выходным сопротивлением, а каскад с
«общим коллектором» обладает максимальным вход-
ным сопротивлением). Сигнал с эмиттерного повтори-
теля на транзисторе Q2 подается на вход (эмиттер)
усилительного каскада на транзисторе Q1, выход кото-
рого подключен к ИП через индуктивную петлю связи
А. Сигнал с выхода ИГ через «развязывающий» усили-
тель на транзисторе Q3 подается на вход цифрового
делителя частоты U3, который включен по схеме дели-
теля на 80. С выхода делителя частоты через «развязы-
вающий» эмиттерный повторитель на транзисторе Q4
сигнал подается на частотомер. Для максимального
обеспечения стабильности частоты ИГ его генерирую-
щие каскады (Q1 – Q3) и цифровые каскады (U3, Q4)
питаются от различных линейных стабилизаторов на-
пряжения U1 (9 В) и U2 (5 В) соответственно.
Конструктивно ИП совместно с ИГ представляет
собой разборную систему, в нижней части которой
расположен ИП, а в верхней части – ИГ. В нижнюю
часть ИП подводится исследуемая жидкость, которая
после заполнения всего его объема попадает на слив.
Общий вид и вид со снятой крышкой измерителя вла-
госодержания приведен на рис. 3. Таким конструк-
тивным выполнением ИП и ИГ обеспечивается воз-
можность работы ИП как в стационарном режиме, так
и в режиме протока исследуемой жидкости. Кроме
того, данное конструктивное исполнение обеспечива-
ет минимизацию влияния паразитных параметров ИГ
на частоту резонанса ИП (которая определяется гео-
метрическими размерами линий Z1 и Z2 и величиной
диэлектрической проницаемости исследуемой жидко-
сти) за счет следующих факторов:
1. Величины коэффициента связи эквивалентного
колебательного контура, образованного линиями Z1
(индуктивный элемент) и Z2 (емкостной элемент) с ИГ,
не превышающей значения 0,08. Поэтому, паразитные
параметры ИГ, которые «привносятся» ИГ в этот кон-
тур, по величине не превосходят (0,08)2 = 0,0064. В
сочетании с высокими величинами импедансов вход-
ной (на Q2) и выходной (на Q1) части ИГ это обеспе-
чивает высокую добротность колебательной системы и
малое влияние ИГ на частоту генерации измерителя.
2. Место подключения индуктивной петли связи А,
максимально приближено к точке колебательной сис-
темы, которая имеет нулевой потенциал. Данный факт
обеспечивает минимальные искажения продольного
электрического поля в СНКР.
3. Механическая фиксация центрального электрода
линии Z1, обеспечивающей величину паразитной ем-
кости ИП практически равную нулю, что также спо-
собствует повышение точности предложенного изме-
рителя влагосодержания.
Описанный измеритель имеет следующие основ-
ные технические характеристики:
1. Частота генерации ИГ с ИП, заполненным воз-
духом, около 158 МГц.
2. Частота генерации ИГ с ИП, заполненным
трансформаторным маслом, около 104 МГц.
3. Чувствительность измерителя – не хуже 1 см3/м3.
а б
Рис. 3. Общий вид собранного измерителя влагосодержания (а)
и вид со снятым наружным коаксиальным электродом (б)
Результаты экспериментальных исследова-
ний. Для подтверждения правильности выбранных
конструктивных и технических решений ИГ и ИП
были проведены экспериментальные исследования в
два этапа.
На первом этапе с помощью измерителя ампли-
тудно-частотных характеристик (АЧХ) типа Х1 – 42
исследовались резонансные характеристики ИП, за-
полненного воздухом, и ИП заполненного обезвожен-
ным трансформаторным маслом.
Блок-схема, по которой данный измеритель
влажности исследовался для определения АЧХ, при-
ведена на рис. 4.
На рис. 4. изображено: 1 – измеритель АЧХ Х1 -
42 (вверху – измерительная часть; внизу – генератор-
ная часть); 2 – ИП; 3 – индуктивная петля связи; 4 –
исследуемая среда; 5 – высокоомный (выносной) вход
Х1 – 42; 6 – выход Х1 – 42 (50 Ом).
При этом для устранения реакции измерителя
Х1 – 42 на АЧХ ИП выход Х1 – 42 был согласован
резистором 50 Ом, а для повышения входного
54 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2016. №5
импеданса последовательно со входом была включена
цепочка 100 кОм – 0,5 пФ.
50 Ом
100 кОм
0,5 пФ
1
5
6
2
43
Рис. 4. Блок – схема измерений АЧХ ИП
Результаты исследований ИП в виде АЧХ ИП
приведены на рис. 5-8. Полученные АЧХ были рас-
шифрованы с целью определения величины нагру-
женной добротности Q измерительного преобразова-
теля. Нагруженная добротность (ИП нагружен на
50 Ом) Q определялась с помощью величины 2∆F
(ширина АЧХ на уровне - 3дБ) и F (центральная час-
тота резонанса).
Как показывают результаты обработки с точно-
стью до 5 % нагруженные величины добротности ИП
с воздухом (Q1, F1) и с трансформаторным маслом
(Q2, F2) практически совпадают, что свидетельствует
о слабом влиянии масла на добротность ИП:
;80
102
10160
2 6
6
1
1
1
F
F
Q
;83
103,1
10108
2 6
6
2
2
2
F
F
Q
21 QQ .
100 МГц
10 МГц
Рис. 5. Амплитудно-частотные характеристики ИП,
заполненного воздухом
Рис. 6. Амплитудно-частотные характеристики ИП,
заполненного воздухом
100 МГц
10 МГц
Рис. 7. Амплитудно-частотные характеристики ИП,
заполненного маслом
Рис. 8. Амплитудно-частотные характеристики ИП,
заполненного маслом
На втором этапе экспериментальных исследова-
ний были определены величины объемного влагосо-
держания приготовленных смесей «трансформатор-
ное масло – вода» в диапазоне влагосодержания (10 –
104) cм3/м3. В процессе проведения экспериментов с
помощью микрошприцов марки «Hamilton» в предва-
рительно обезвоженное масло объемом (500 0,6) см3
вводилось требуемое количество воды. После этого
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2016. №5 55
приготовлялась однородная эмульсия с требуемым
влагосодержанием. Затем для удаления газа из необ-
водненного трансформаторного масла и приготовлен-
ной эмульсии сосуды с ними помещались в вакуум-
ную камеру. После этого через измерительный преоб-
разователь проливалась исследуемая жидкость с од-
новременным контролем температуры ИП и частоты
генерации ИГ. В процессе проведения исследований
температура ИП и ИГ поддерживалась постоянной с
точностью ± 0,03 С. При этом проводилось по 12
измерений частоты генерации ИГ, деленной на 80 для
обезвоженного масла (F3) и исследуемой смеси (F4), и
обрабатывались по стандартной методике для прямых
измерений [6].
Для определения функциональной зависимости
влагосодержания W от частоты воспользуемся фор-
мулой определения влагосодержания для измерителя
влажности, описанного в [3]:
2
1
2
3
2
3
2
4
11
11
3
1
FF
FF
W
, (2)
где F1 – частота резонанса при отключенном измери-
тельном преобразователе; F3 – частота резонанса для
измерительного преобразователя, заполненного обез-
воженным маслом; F4 – частота резонанса при запол-
ненном измерительном преобразователе исследуемой
смесью.
Конструкция предложенного измерителя влаж-
ности на основе СНКР такова, что она не содержит
конструкционного диэлектрического материала, под-
держивающего внутренний потенциальный электрод.
Конструктивно внутренний потенциальный электрод
наглухо соединен с наружным электродом, а иссле-
дуемая жидкость находится в пространстве между
этими электродами. В этом случае конструкция изме-
рительного преобразователя может быть представлена
в виде короткозамкнутой четвертьволновой линии.
Тогда измеритель влажности на основе СНКР имеет
частоту F1 = ∞, а 1/F1 = 0 и выражение (2) преобразу-
ется к виду:
2
4
2
4
2
3
2
3
2
3
2
4
3
1
1
11
3
1
F
FF
F
FF
W
. (3)
Для малых величин влагосодержания W, когда
выполняется неравенство вида:
1,0
2
4
2
4
2
3
F
FF
, (4)
формула (3) для влагосодержания W упрощается:
4
43
3
2
F
FF
W
. (5)
Результаты обработанных экспериментальных
значений влагосодержаний W, W0 и частот F3, F4
представлены в табл.1.
Таким образом, при концентрации влаги в при-
готовленной эмульсии W0 = 10 см3/м3 величина изме-
ренного влагосодержания составляет W = 9,51 см3/м3,
а величина ∆W = ± 0,5 см3/м3, что позволяет произво-
дить измерения влагосодержания в диапазоне
10-3 % < W < 0,1 % с относительной погрешностью
(определяемой как разница влагосодержания приго-
товленной и измеряемой эмульсии деленной на влаго-
содержание приготовленной) не более 5,2 %.
Таблица 1
Обработанные результаты измерений
Частоты, Гц
W0, см
3/м3
F3 F4
W, см3/м3
Относи-
тельная
погреш-
ность, %
10±1 1335497,4±0,6 1335478,3±0,8 9,51±0,5 5,2
50±1 1335558,1±0,6 1335459,8±0,6 49±0,4 1,9
100±5,1 1304712,0±0,7 1304519,7±0,8 98,3±0,6 1,8
499±5,6 1335558,1±0,6 1334602,2±1,3 477,7±0,7 4,6
999±11,2 1304658,8±0,7 1302569,9±1,2 1069,9±0,7 6,7
9901±111,8 1304658,8±0,7 1286722,6±34,4 9357,7±18,4 5,8
Анализ полученных экспериментальных резуль-
татов показывает, что созданный измеритель характе-
ризуется относительной погрешностью определения
влагосодержания не более 6,7 % в диапазоне
10 см3/м3 ≤ W ≤ 105 см3/м3.
Выводы.
1. В развитие диэлькометрического метода опреде-
ления влагосодержания в неполярных жидких диэлек-
триках разработан СВЧ измеритель влагосодержания
с измерительным преобразователем в виде ступенча-
того неоднородного коаксиального резонатора рабо-
тающего в резонансном режиме.
2. Экспериментально подтверждена корректность
предложенной для реализации измерителя влагосо-
держания упрощенной физической модели эмульсии
типа «вода в масле».
3. Разработан измеритель влагосодержания на основе
ступенчатого неоднородного коаксиального резонатора,
который обладает большей стабильностью частоты,
меньшими паразитными параметрами и большей рабо-
чей частотой по сравнению с измерителем на основе
емкостного измерительного преобразователя и измери-
тельного генератора с сосредоточенными параметрами.
4. Предложена конструкция измерителя позволяет
определять влагосодержание для исследуемых жид-
костей как в покое, так и в потоке.
5. Разработанный измеритель влагосодержания по-
зволяет при минимуме материально-временных затрат
оперативно определить влагосодержание в диапазоне
10-3 % < W < 0,1 % с помощью измерения двух резо-
нансных частот измерительного преобразователя (с
заполненным ИП обезвоженным маслом и с ИП за-
полненным исследуемой эмульсией) и расчета влаго-
содержания по формуле [5].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мелкумян В.Е. Измерение и контроль влажности материа-
лов. – М.: Изд-во Комитета стандартов мер и измерительных
приборов при Совете Министров СССР, 1970. – 138 с.
56 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2016. №5
2. Рудаков В.В., Коробко А.И., Коробко А.А. Электрофи-
зическая модель поведения эмульсии типа минеральное
масло – вода инженерного типа // Вісник НТУ «ХПІ». –
2009. – №39. – С. 158-161.
3. Рудаков В.В., Коробко А.А. Повышение чувствительно-
сти измерений содержания влаги в трансформаторном мас-
ле диэлькометрическим методом в резонансном режиме //
Вісник НТУ «ХПІ». – 2014. – №50(1092). – С. 143-149.
4. Рудаков В.В., Коробко А.А. Резонансные спектры неод-
нородных коаксиальных резонаторов для определения ди-
электрической проницаемости жидких сред в СВЧ диапазо-
не // Вісник НТУ «ХПІ». – №20(1129). – С. 129-137.
5. Рудаков В.В., Коробко А.А. Исследования метрологиче-
ских характеристик измерительных преобразователей в
виде ступенчатого коаксиального неоднородного резона-
тора для диэлькометрии жидких сред в СВЧ диапазоне //
Вісник НТУ «ХПІ». – 2015. – №51(1160). – С. 91-95.
6. Дворяшин Б.В. Основы метрологии и радиоизмерения:
Учеб. пособие для вузов. – М.: Радио и связь, 1993. – 320 с.
REFERENCES
1. Melkumyan V.E. Izmerenie i kontrol vlazhnosti materialov.
[Measurement and control of humidity of materials.]. Moscow,
Komitet standartov mer i izmeritelnyih priborov pri Sovete Min-
istrov SSSR Publ., 1970. 138 p. (Rus).
2. Rudakov V.V., Korobko A.I., Korobko A.A. Electrophysical
model of behavior emulsion mineral oil – water engineering
type. Bulletin of NTU «KhPI», 2009, no.39, pp. 158-161. (Rus).
3. Rudakov V.V. Korobko A.A. Increasing the sensitivity of
the moisture content measurements in transformer oil dielcomet-
ric method in resonant mode. Bulletin of NTU «KhPI», 2014,
no.50(1092), pp. 143-149. (Rus).
4. Rudakov V.V., Korobko A.A. The resonance spectra of
inhomogeneous coaxial resonators to determine the dielectric
constant of liquid media in the microwave band. Bulletin of NTU
«KhPI», 2015, no.20(1129), pp. 129-137. (Rus).
5. Rudakov V.V., Korobko A.A. Research of metrological
characteristics of transmitters in the form of a step coaxial reso-
nator for dielkometrii inhomogeneous liquid media in the mi-
crowave range. Bulletin of NTU «KhPI», 2015, no.51(1160), pp.
91-95. (Rus).
6. Dvoryashin B.V. Osnovyi metrologii i radioizmereniya
[Fundamentals of metrology and radio measurements]. Moscow,
Radio i svyiz Publ., 1993. 320 p. (Rus).
Поступила (received) 19.09.2016
Рудаков Валерий Васильевич1, д.т.н., проф.,
Коробко Александр Анатольевич1, аспирант,
1 Национальный технический университет
«Харьковский политехнический институт»,
61002, Харьков, ул. Кирпичева, 21,
тел/phone +380 93 6508088, e-mail: andarleks@gmail.com
V.V. Rudakov1, A.A. Korobko1
1 National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute»,
21, Kyrpychova Str., Kharkiv, 61002, Ukraine.
A high sensitive microwave measuring device of the
moisture content in the non-polar dielectric liquids based
on an inhomogeneous step coaxial resonator.
Purpose. Objective is to create a moisture meter for non-polar
liquid dielectrics with low volumetric moisture content of more
than 10-3 %. Methodology. Moisture measuring is based on diel-
cometric method. It is implemented as a resonant method of de-
termining a capacitance measuring transducer. Measuring trans-
ducer capacitive type has a working and parasitic capacitance. It
was suggested the definition of moisture on four of resonance
frequencies: when the measuring transducer is turned off, one by
one filled with air, «dry» and investigated liquid, to determine the
parasitic capacitance of the measuring generator, and the para-
sitic capacitance of the measuring transducer and humidity.
Measurement frequency was increased up to microwave range to
increase the sensitivity. Measuring transducer with distributed
parameters representing a step heterogeneous coaxial resonator
is used by. This measuring transducer has a zero stray capaci-
tance, because the potential electrode has a galvanic connection
with an external coaxial electrode. Inductive ties loop is used to
neglect parasitic capacitance of the measuring generator, and to
increase the quality factor of the system. Measuring moisture is
reduced to measuring the two frequencies of resonance frequency
and «dry» and investigated liquid. Resonant characteristics
transducer in a step inhomogeneous coaxial resonator have been
investigated to determine the quality factor of filled with air and
transformer oil, and experiments to measure the moisture content
in transformer oil have been conducted. Results. Measuring
transducer of distributed type is developed and researched – it is
step inhomogeneous coaxial resonator. It has a smaller geometric
length and larger scatter of the first and second resonant frequen-
cies. Expression is obtained for determination of moisture on the
basis of two resonant frequencies. The formula of the two fre-
quencies to determine the moisture is correct. Resonant charac-
teristics are obtained for measuring transducer. Its quality factor
has been determined – it does not depend on what it is filled with
air or oil. The moisture content in transformer oil for the amount
of water to 10-3 % with an error of no more than 6.7 % has been
determined. Originality. It has been proposed to use of an inho-
mogeneous step coaxial resonator as a measuring transducer.
Original high sensitive moisture meter for the fluid at rest and
flowing fluid with low values of parasitic capacitances has been
developed and researched. An original method of determining the
moisture by measuring the two frequencies of resonance has been
proposed and implemented. Practical value. This meter may be
used to determine moisture in any of the non-polar liquid with
high speed and accuracy. Moisture meter can be used in electrical
engineering, aeronautical engineering, in the chemical and food
industries. References 6, tables 1, figures 8.
Key words: moisture meter, non-polar liquid dielectrics,
measuring transducer, step inhomogeneous coaxial resona-
tor, measuring generator, resonance characteristics, volu-
metric water content, transformer oil, water.
9 сентября 2016 г.после тяжелой болезни на 68 году жизни скончался известный ученый
в области техники высоких напряжений, доктор технических наук, профессор, академик АН высшей
школы, лауреат Государственной премии Украины в области науки и техники, заведующий
кафедрой инженерной электрофизики Валерий Васильевич Рудаков.
Многолетняя плодотворная научная работа, конечной целью которой всегда являлось создание
уникальных электрофизических установок, привела В.В.Рудакова к написанию докторской диссер-
тации, которую он успешно защитил в 1999 г.
Под его научным руководством были успешно защищены одна докторская и несколько канди-
датских диссертаций. Профессор В.В. Рудаков – автор более 120 научных трудов и изобретений,
в том числе нескольких учебных пособий.
Валерий Васильевич был великим тружеником, прекрасным организатором, добрым и отзывчивым человеком. Он не
оставлял ни одной, даже внезапно возникшей в конце дня, проблемы на завтра и часто уходил с работы последним,
закрывая кафедру и подъезд математического корпуса. В его кабинете всегда было многолюдно: сотрудники, преподаватели,
дипломники, студенты младших курсов свободно обращались к нему и получали необходимую поддержку. Он был жизне-
радостным оптимистом. Таким Валерий Васильевич останется в нашей памяти.
Мы скорбим и выражаем глубокое соболезнование родным и близким покойного.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-147264 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 2074-272X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-02T11:58:46Z |
| publishDate | 2016 |
| publisher | Інститут технічних проблем магнетизму НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Рудаков, В.В. Коробко, А.А. 2019-02-13T20:18:18Z 2019-02-13T20:18:18Z 2016 Высокочувствительный СВЧ измеритель влагосодержания в неполярных диэлектрических жидкостях на основе ступенчатого неоднородного коаксиального резонатора / В.В. Рудаков, А.А. Коробко // Електротехніка і електромеханіка. — 2016. — № 5. — С. 51-56. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 2074-272X DOI: https://doi.org/10.20998/2074-272X.2016.5.08 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147264 621.317.39.084.2 Рассматривается высокочувствительный измеритель влагосодержания в неполярных жидких диэлектриках. Аргументированы пути повышения чувствительности классического диэлькометрического метода. Приводиться описание разработанной конструкции измерителя влажности на основе ступенчатого неоднородного коаксиального резонатора. Рассмотрены результаты анализа резонансных характеристик измерительного преобразователя, а также определены величины объемного влагосодержания смесей трансформаторное масло – вода в диапазоне влагосодержания (10 – 10⁴) cм³/м³ Розглядається високочутливий вимірювач вмісту вологи в неполярних рідких діелектриках. Аргументовано шляхи підвищення чутливості класичного діелькометричного методу. Приводиться опис розробленої конструкції вимірювача вологості на основі ступеневого неоднорідного коаксіального резонатора. Розглянуто результати аналізу резонансних характеристик вимірювального перетворювача, а також визнченi величини об'ємного вмісту вологи сумішей трансформаторне масло – вода в діапазоні вмісту вологи (10 – 10⁴) cм³/м³ Purpose. Objective is to create a moisture meter for non-polar liquid dielectrics with low volumetric moisture content of more than 10⁻³ %. Methodology. Moisture measuring is based on dielcometric method. It is implemented as a resonant method of determining a capacitance measuring transducer. Measuring transducer capacitive type has a working and parasitic capacitance. It was suggested the definition of moisture on four of resonance frequencies: when the measuring transducer is turned off, one by one filled with air, «dry» and investigated liquid, to determine the parasitic capacitance of the measuring generator, and the parasitic capacitance of the measuring transducer and humidity. Measurement frequency was increased up to microwave range to increase the sensitivity. Measuring transducer with distributed parameters representing a step heterogeneous coaxial resonator is used by. This measuring transducer has a zero stray capacitance, because the potential electrode has a galvanic connection with an external coaxial electrode. Inductive ties loop is used to neglect parasitic capacitance of the measuring generator, and to increase the quality factor of the system. Measuring moisture is reduced to measuring the two frequencies of resonance frequency and «dry» and investigated liquid. Resonant characteristics transducer in a step inhomogeneous coaxial resonator have been investigated to determine the quality factor of filled with air and transformer oil, and experiments to measure the moisture content in transformer oil have been conducted. Results. Measuring transducer of distributed type is developed and researched – it is step inhomogeneous coaxial resonator. It has a smaller geometric length and larger scatter of the first and second resonant frequencies. Expression is obtained for determination of moisture on the basis of two resonant frequencies. The formula of the two frequencies to determine the moisture is correct. Resonant characteristics are obtained for measuring transducer. Its quality factor has been determined – it does not depend on what it is filled with air or oil. The moisture content in transformer oil for the amount of water to 10-3 % with an error of no more than 6.7 % has been determined. Originality. It has been proposed to use of an inhomogeneous step coaxial resonator as a measuring transducer. Original high sensitive moisture meter for the fluid at rest and flowing fluid with low values of parasitic capacitances has been developed and researched. An original method of determining the moisture by measuring the two frequencies of resonance has been proposed and implemented. Practical value. This meter may be used to determine moisture in any of the non-polar liquid with high speed and accuracy. Moisture meter can be used in electrical engineering, aeronautical engineering, in the chemical and food industries ru Інститут технічних проблем магнетизму НАН України Електротехніка і електромеханіка Техніка сильних електричних та магнітних полів. Кабельна техніка Высокочувствительный СВЧ измеритель влагосодержания в неполярных диэлектрических жидкостях на основе ступенчатого неоднородного коаксиального резонатора A high sensitive microwave measuring device of the moisture content in the non-polar dielectric liquids based on an inhomogeneous step coaxial resonator Article published earlier |
| spellingShingle | Высокочувствительный СВЧ измеритель влагосодержания в неполярных диэлектрических жидкостях на основе ступенчатого неоднородного коаксиального резонатора Рудаков, В.В. Коробко, А.А. Техніка сильних електричних та магнітних полів. Кабельна техніка |
| title | Высокочувствительный СВЧ измеритель влагосодержания в неполярных диэлектрических жидкостях на основе ступенчатого неоднородного коаксиального резонатора |
| title_alt | A high sensitive microwave measuring device of the moisture content in the non-polar dielectric liquids based on an inhomogeneous step coaxial resonator |
| title_full | Высокочувствительный СВЧ измеритель влагосодержания в неполярных диэлектрических жидкостях на основе ступенчатого неоднородного коаксиального резонатора |
| title_fullStr | Высокочувствительный СВЧ измеритель влагосодержания в неполярных диэлектрических жидкостях на основе ступенчатого неоднородного коаксиального резонатора |
| title_full_unstemmed | Высокочувствительный СВЧ измеритель влагосодержания в неполярных диэлектрических жидкостях на основе ступенчатого неоднородного коаксиального резонатора |
| title_short | Высокочувствительный СВЧ измеритель влагосодержания в неполярных диэлектрических жидкостях на основе ступенчатого неоднородного коаксиального резонатора |
| title_sort | высокочувствительный свч измеритель влагосодержания в неполярных диэлектрических жидкостях на основе ступенчатого неоднородного коаксиального резонатора |
| topic | Техніка сильних електричних та магнітних полів. Кабельна техніка |
| topic_facet | Техніка сильних електричних та магнітних полів. Кабельна техніка |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147264 |
| work_keys_str_mv | AT rudakovvv vysokočuvstvitelʹnyisvčizmeritelʹvlagosoderžaniâvnepolârnyhdiélektričeskihžidkostâhnaosnovestupenčatogoneodnorodnogokoaksialʹnogorezonatora AT korobkoaa vysokočuvstvitelʹnyisvčizmeritelʹvlagosoderžaniâvnepolârnyhdiélektričeskihžidkostâhnaosnovestupenčatogoneodnorodnogokoaksialʹnogorezonatora AT rudakovvv ahighsensitivemicrowavemeasuringdeviceofthemoisturecontentinthenonpolardielectricliquidsbasedonaninhomogeneousstepcoaxialresonator AT korobkoaa ahighsensitivemicrowavemeasuringdeviceofthemoisturecontentinthenonpolardielectricliquidsbasedonaninhomogeneousstepcoaxialresonator |