RU2069863C1 - Analyzer of gas, liquid and loose media - Google Patents

Abstract

FIELD: radio engineering measurement facilities. SUBSTANCE: invention may find use in study of ecology, Earth's ionosphere, oceanology and other branches of economy. Invention is meant to increase sensitivity of analyzer in upper measurement limit of active component of impedance and to expand measurement range in upper limit thanks to enhanced capacitance of primary converter (probe), to capability of operation with companion primary converter (probe) at distance up to 11.0 km from resonance sensitive element and possibility of usage of primary converter (probe) with operational capacitance of order of 0.1-100.0 pF. Resonance sensitive element is manufactured in the form oscillatory circuits coupled via transformer. Secondary oscillatory circuit and primary converter (probe) connected to it are shunted by active resistance and capacitance. Resonance sensitive element is made by diagram of series oscillatory circuit coupled to generator and amplifier. Secondary oscillatory circuit is coupled to converter and generator of pulse bias voltage, its inductance winding is connected with its ends through transfer capacitances and double-conductor high-frequency cable to electrodes of primary converter. Active resistance and capacitance are placed between connection points of transfer capacitance with conductors high-frequency cable which means shunting of circuit and primary converter. EFFECT: increased sensitivity of analyzer in upper measurement limit of active component of impedance. 4 dwg

Description

Translated fromRussian

Изобретение относится к радиотехническим измерительным средствам и может быть использовано для исследований в экологии, ионосфере Земли, океанологии и других отраслях народного хозяйства, например замер влажности зерна. Известны радиочастотные и резонансно-импедансные радиозонды, применяемые для измерения электро-радиофизических и физико-химических характеристик различных сред. The invention relates to radio-technical measuring instruments and can be used for research in ecology, the Earth’s ionosphere, oceanology and other sectors of the national economy, for example, measuring grain moisture. Known radio-frequency and resonance-impedance radiosondes used to measure the electro-radiophysical and physico-chemical characteristics of various media.

С помощью низкочастотного импедансного радиозонда исследовали нижние области ионосферы Земли. Using the low-frequency impedance radiosonde, the lower regions of the Earth's ionosphere were investigated.

Недостатком применяемого низкочастотного радиозонда является наличие погрешности измерений, вносимой ионными приэлектродными слоями, ограниченная емкость первичного преобразователя [1]
Для исследования верхний областей ионосферы Земли был применен высокочастотный резонансно-импедансный радиозонд с пилообразным напряжением смещения.The disadvantage of the used low-frequency radiosonde is the presence of measurement error introduced by the ionic electrode layers, the limited capacity of the primary transducer [1]
To study the upper regions of the Earth’s ionosphere, a high-frequency resonance-impedance radio probe with a sawtooth bias voltage was used.

Недостатками его оказались низкая чувствительность по активной составляющей импеданса, ограниченность емкости первичного преобразователя в комплекте с соединительным кабелем [2]
В работе [3] для исследования ионосферы Земли применялись низкочастотный и высокочастотный импедансметры, работающие на частотах, многогранно превышающих гиромагнитную частоту электронов (f_н=1,3 мГц), чтобы исключить влияние замагниченности плазмы магнитным полем Земли, однако с их помощью были измерены лишь реактивные составляющие, по которым определяли концентрацию электронов, а активные составляющие импеданса не измерялись по причине недостаточной чувствительности устройств. С целью повышения чувствительности по активной составляющей импеданса для диагностики разреженной плазмы был применен дифференциальный радиозонд, однако ожидаемые результаты достигнуты не были измерялись лишь реактивные составляющие. Недостатками дифференциального радиозонда оказались низкая чувствительность по активной составляющей импеданса, наличие погрешности измерений от ионного приэлектродного слоя, ограниченность емкости первичного преобразователя [4]
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство по заявке N 4750813/25 от 19.11.91 [5]
На фиг. 1а приведена структурно-принципиальная схема устройства прототипа. Она содержит генератор зондирующего частотно модулированного синусоидального напряжения 1, источник постоянного напряжения 3 с электронным ключом 2, двухэлектродный зонд 4, резонансный чувствительный элемент 5, выполненный по схеме эквивалента последовательного колебательного контура со вторичной обмоткой индуктивности и зарядно-разрядной цепью, состоящей из последовательно соединенных емкости C₃ и резистора R₂, соединенного с общей точкой схемы, а емкость соединена со средней точкой вторичной обмотки индуктивности и со свободным контактом реле электронного ключа 2. Кроме того, емкость зарядно-разрядной цепи через разделительную емкость соединена с эмиттерным повторителем 8, выход которого соединен с регистратором низкочастотного измерительного сигнала U_с(t) (см. фиг. 2б). Генератор зондирующего частотно модулированного синусоидального напряжения 1 через проходную емкость включен в индуктивно-емкостную ветвь колебательного контура. Усилитель высокочастотного измерительного сигнала и амплитудный детектор объединены в одном блоке 7 и через истоковый повторитель 6 подключен к колебательному контуру в точке соединения индуктивно-емкостной и емкостной ветвей контура. Выход амплитудного детектора соединен с регистратором.Its disadvantages were low sensitivity for the active component of the impedance, the limited capacity of the primary Converter complete with a connecting cable [2]
In [3], to study the Earth’s ionosphere, low-frequency and high-frequency impedance meters operating at frequencies many-sided exceeding the gyromagnetic frequency of electrons (f_n = 1.3 MHz) were used to exclude the influence of plasma magnetization by the Earth’s magnetic field, but they were only used to measure reactive components, which determined the concentration of electrons, and the active components of the impedance were not measured due to insufficient sensitivity of the devices. In order to increase the sensitivity of the active component of the impedance, a differential radiosonde was used to diagnose a rarefied plasma, however, the expected results were not achieved; only the reactive components were measured. The disadvantages of the differential radiosonde were low sensitivity for the active component of the impedance, the presence of measurement errors from the ion near electrode layer, the limited capacity of the primary transducer [4]
Closest to the invention in technical essence and the achieved result is a device according to the application N 4750813/25 of 11/19/91 [5]
In FIG. 1a shows a structural schematic diagram of a prototype device. It contains a generator of a probing frequency modulatedsinusoidal voltage 1, aconstant voltage source 3 with anelectronic switch 2, a two-electrode probe 4, aresonant sensing element 5, made according to the equivalent circuit of a series oscillatory circuit with a secondary inductor and a charge-discharge circuit, consisting of series-connected capacitors C₃ and a resistor R₂ connected to a common point of the circuit, and the capacitance is connected to the midpoint of the secondary inductance and to a free con the relay key stroke of theelectronic key 2. In addition, the capacity of the charge-discharge circuit through the separation capacitance is connected to theemitter follower 8, the output of which is connected to the low-frequency measuring signal recorder U_с (t) (see Fig. 2b). The generator of the probing frequency modulatedsinusoidal voltage 1 through the passage capacity is included in the inductive-capacitive branch of the oscillatory circuit. The amplifier of the high-frequency measuring signal and the amplitude detector are combined in oneunit 7 and, through thesource follower 6, is connected to the oscillatory circuit at the junction point of the inductive-capacitive and capacitive branches of the circuit. The output of the amplitude detector is connected to the recorder.

Устройство работает следующим образом. На резонансный чувствительный элемент и зонд одновременно подают зондирующее напряжение и импульсное напряжение смещения положительной полярности, при этом зонд одновременно работает и как импедансный радиозонд и как электрический импульсный зонд. На зондирующем частотно модулированном синусоидальном напряжении при резонансе чувствительного элемента, измеряют активную R и реактивную X_с составляющие входного импеданса Z зонда, погруженного в исследуемую плазму, при напряжении смещения, превышающем потенциал плазмы U_п. Напряжение смещения выполняет две функции: оно нейтрализует приэлектродный ионный слой, при этом понижается уровень U₁ (см. фиг 1в) высокочастотного измерительного сигнала и повышается точность измерения активной и реактивной составляющих импеданса, и создает условия для формирования низкочастотного измерительного сигнала, формируемого зондовым током на емкости зарядно-разрядной цепи и несущего в себе измерительную информацию о плавающем U_пл и пространственном U_п потенциалах плазмы, температуре Т_е и концентрации N_е электронов. Измерительную информацию получают путем расшифровки записи измерительных сигналов с помощью градуировочных графиков (см. фиг. 3а, б и в), получаемых при градуировке устройства перед экспериментом.The device operates as follows. A probe voltage and a pulse bias voltage of positive polarity are simultaneously supplied to the resonant sensor element and the probe, while the probe simultaneously operates both as an impedance radio probe and as an electric pulse probe. On the probe frequency-modulated sinusoidal voltage at the resonance of the sensing element, measure the active R and reactive X_{with the} components of the input impedance Z of the probe immersed in the investigated plasma at a bias voltage exceeding the plasma potential U_p . The bias voltage performs two functions: it neutralizes the near-electrode ion layer, while lowering the level U₁ (see Fig. 1c) of the high-frequency measuring signal and increasing the accuracy of measuring the active and reactive components of the impedance, and creates the conditions for the formation of a low-frequency measuring signal generated by the probe current capacitance charge-discharge circuit and which contains the measurement information of the floating_square U U_n and spatial plasma potentials temperature T_e and the electron concentration n_e. Measuring information is obtained by decoding the recording of measuring signals using calibration graphs (see Fig. 3a, b and c) obtained by calibrating the device before the experiment.

Расшифровку записи измерительных сигналов выполняют в следующей последовательности, начиная с расшифровки высокочастотного сигнала:
на участках с минимальной амплитудой определяют значения U_1м(t) и U_2м(t), по которым с помощью графика фиг. 3а определяют значения R_х(t), а с помощью графика фиг. 3б и значениям R(t) определяют Cx и ΔC_x=C_o-C_x;
по значениям измеренных параметров с помощью первичных функциональных связей определяют удельную электрическую проводимость, приращение диэлектрической проницаемости Δε′, диэлектрическую проницаемость ε′ и тангенс угла диэлектрических потерь исследуемой среды

(1)

(2)
ε′(t) = 1 ± Δε′(t) отн.ед (3) (3)

(4)
а=8,85/С_o, С_o начальная емкость зонда (первичного преобразователя).The decryption of the recording of measuring signals is performed in the following sequence, starting with the decryption of the high-frequency signal:
in areas with a minimum amplitude, the values of U_1m (t) and U_2m (t) are determined, according to which, using the graph of FIG. 3a, the values of R_x (t) are determined, and using the graph of FIG. 3b and the values of R (t) determine Cx and ΔC_x = C_o -C_x ;
from the values of the measured parameters using the primary functional relationships determine the electrical conductivity, increment of the dielectric constant Δε ′, dielectric constant ε ′ and the dielectric loss tangent of the medium

(one)

(2)
ε ′ (t) = 1 ± Δε ′ (t) rel.ed (3) (3)

(4)
a = 8.85 / C_o , C_{o the} initial capacity of the probe (primary transducer).

Концентрацию электронов N^e см^-3, эффективную частоту столкновения электронов νC_эффc^-1 определяют из совместного решения уравнений для σ и De′, объединяющих в себе измеренные и определяемые параметры [5]

(5)

(6)
Определяют давление P ионизованного газа в призондовой области
P(t) = 1,43•10^-11ν_эфф(t) атм (7) (7)
Низкочастотный измерительный сигнал расшифровывают в такой последовательности:
определяют пространственный U_п и плавающий U_пл потенциалы плазмы по измерительному сигналу:
U_п=OU_п(B); U_пл=-OU_пл(B) (8)
определяют температуру электронов Т_е, используя известные соотношения [6, 7, 9]

(9)
где e заряд электрона;
γ=5,04 для атмосферы;
к постоянная Больцмана;
m_i и m_е масса иона и масса электрона;
определяют ток насыщения электронов I_ео

(10)
где AU_п изменение напряжения на зонде и зарядно-разрядной цепи за время Δt на участке BC;
C_Σ суммарная емкость зарядно-разрядной цепи, которая определяется при градуировке устройства постоянным током (см. фиг. 3в);
определяют концентрацию электронов

, используя известное соотношение [6]

(11).The electron concentration N^e cm^-3 , the effective electron collision frequency νC_eff c^{-1 are} determined from the joint solution of the equations for σ and De ′, combining the measured and determined parameters [5]

(5)

(6)
The pressure P of the ionized gas in the near-probe region is determined
P (t) = 1.43 • 10^-11 ν_eff (t) atm (7) (7)
The low-frequency measuring signal is decoded in the following sequence:
determine the spatial U_p and floating U_PL plasma potentials from the measuring signal:
U_p = OU_p (B); U_pl = -OU_pl (B) (8)
determine the temperature of the electrons T_e using the known relations [6, 7, 9]

(9)
where e is the electron charge;
γ = 5.04 for the atmosphere;
to Boltzmann constant;
m_i and m_{e are the} mass of the ion and the mass of the electron;
determine the electron saturation current I_eo

(ten)
where AU_p the voltage change on the probe and the charge-discharge circuit for a time Δt on the plot BC;
C_{Σ is the} total capacity of the charge-discharge circuit, which is determined by calibrating the device with direct current (see Fig. 3c);
determine the concentration of electrons

using the known relation [6]

(eleven).

Здесь j_ео= I_eo/S (А/см²) плотность электронного тока насыщения. S (см²) рабочая площадь зонда.Here j_eo = I_eo / S (A / cm² ) is the density of the electron saturation current. S (cm² ) working area of the probe.

На этом расшифровка измерительных сигналов заканчивается. This decryption of the measuring signals ends.

Недостатками прототипа и других известных резонансно-импедансных измерительных устройств являются:
ограниченность емкости и габаритов первичного преобразователя (зонда, датчика, измерительной ячейки), что ограничивает чувствительность устройства по активной составляющей импеданса;
ограниченность длины электрической линии, соединяющей резонансный чувствительный элемент с первичным преобразователем, так как излишняя емкость для РЧЭ (резонансный чувствительный элемент) пропорциональна длине этой линии.The disadvantages of the prototype and other known resonant-impedance measuring devices are:
the limited capacity and dimensions of the primary transducer (probe, sensor, measuring cell), which limits the sensitivity of the device by the active component of the impedance;
the limited length of the electric line connecting the resonant sensitive element to the primary transducer, since the excess capacity for RFE (resonant sensitive element) is proportional to the length of this line.

Именно эти недостатки ограничивают применение резонансно-импедансных методов и устройств для их реализации в экологии, каротаже нефтяных скважин, гидрологии, океанологии, управлении производственными процессами и других условиях, где требуется применение выносных первичных преобразователей и преобразователей с большой рабочей емкостью. It is these shortcomings that limit the use of resonance-impedance methods and devices for their implementation in ecology, logging of oil wells, hydrology, oceanology, process control and other conditions where the use of remote primary converters and converters with a large working capacity is required.

Цель изобретения заключается в повышении чувствительности устройства по верхнему пределу измерений активной составляющей импеданса и расширения диапазона измерения по верхнему пределу за счет увеличения емкости первичного преобразователя (зонда), возможности работать с выносным первичным преобразователем (зондом) на расстоянии 10-100 м от резонансного чувствительного элемента и возможности применения первичного преобразователя (зонда) с рабочей емкостью порядка 0,1 до 100 пф. The purpose of the invention is to increase the sensitivity of the device at the upper limit of measurements of the active component of the impedance and expand the measuring range at the upper limit by increasing the capacity of the primary transducer (probe), the ability to work with a remote primary transducer (probe) at a distance of 10-100 m from the resonant sensitive element and the possibility of using a primary converter (probe) with a working capacity of the order of 0.1 to 100 pF.

Цель достигается в результате применения РЧЭ, выполненного в виде трансформаторно связанных колебательных контуров, причем вторичный колебательный контур и соединенный с ним первичный преобразователь (зонд) зашунтированы активным сопротивлением и емкостью. Первичный резонансный колебательный контур (РЧЭ) выполнен по схеме эквивалента последовательного колебательного контура, он связан с генератором зондирующего напряжения и усилителем измерительного сигнала. Вторичный колебательный контур связан с преобразователем и генератором импульсного напряжения смещения, в нем обмотка индуктивности своими концами через проходные емкости C₃ и C₅ и двухжильный высокочастотный кабель соединена с электродами первичного преобразователя, при этом параллельно связанные активное сопротивление R_ш и емкость C₄ включены между точками соединения проходных емкостей с жилами высокочастотного кабеля, что означает шунтирование контура и первичного преобразователя. Напряжение смещения подается в среднюю точку шунтирующего сопротивления R_ш, которое состоит из двух равных последовательно включенных резисторов R_ш=R₂+R₃=2R₂=2R₃, емкость C_ш= C₄ не менее чем на порядок превышает резонансную емкость для данного колебательного контура. Каждая из проходных емкостей в два раза превышает резонансную емкость контура. Шунтирующее сопротивление равно удвоенному значению сопротивления по верхнему пределу диапазона измерений устройства без шунта. Подбирая шунтирующее сопротивление изменяют диапазон измерений активной составляющей на два-три порядка. Аналогично, изменяя значения шунтирующей емкости, изменяют диапазон измерений по реактивной составляющей. Шунтирование контура и зонда повышает чувствительность и расширяет диапазон измерения по верхнему пределу активной составляющей импеданса. Шунтирование контура емкостью повышает чувствительность по активной составляющей импеданса пропорционально увеличению емкости первичного преобразователя и позволяет удлинять соединительный кабель и работать с выносным первичным преобразователем, удаленным от РЧЭ на десятки метров.The goal is achieved as a result of the use of RFE, made in the form of transformer-coupled oscillatory circuits, and the secondary oscillatory circuit and the primary transducer (probe) connected to it are shunted by active resistance and capacitance. The primary resonant oscillatory circuit (RFE) is made according to the equivalent circuit of a sequential oscillatory circuit, it is connected with a probe voltage generator and a measuring signal amplifier. The secondary oscillatory circuit is connected to the converter and the generator of the pulse bias voltage, in it the inductance winding at its ends through the passage capacitors C₃ and C₅ and a two-core high-frequency cable is connected to the electrodes of the primary transducer, while the active resistance R_w and the capacitor C₄ are connected in parallel between points of connection of passage tanks with veins of a high-frequency cable, which means shunting the circuit and the primary converter. The bias voltage is supplied to the midpoint of the shunt resistance R_w , which consists of two equal series resistors R_w = R₂ + R₃ = 2R₂ = 2R₃ , the capacitance C_w = C_{4 is} at least an order of magnitude higher than the resonant capacitance for a given oscillatory circuit. Each of the through capacitance is twice the resonant capacitance of the circuit. The shunt resistance is equal to twice the resistance value at the upper limit of the measuring range of the device without a shunt. Selecting the shunt resistance, the measurement range of the active component is changed by two to three orders of magnitude. Similarly, by changing the values of the shunt capacitance, the measurement range for the reactive component is changed. Bypassing the loop and probe increases sensitivity and expands the measurement range to the upper limit of the active component of the impedance. Shunting the circuit with a capacitance increases the sensitivity of the active component of the impedance in proportion to the increase in the capacitance of the primary converter and allows you to extend the connecting cable and work with the remote primary converter remote from the RFE by tens of meters.

Сравнение предложенного решения с прототипом и другими решениями этого же направления показало, что предлагаемое устройство для анализа газовых, жидких и сыпучих сред отличается высокой чувствительностью по активной составляющей импеданса и широким диапазоном измерений, многогранностью применений. Comparison of the proposed solution with the prototype and other solutions of the same direction showed that the proposed device for the analysis of gas, liquid and granular media is characterized by high sensitivity for the active component of the impedance and a wide range of measurements, versatility of applications.

Изобретение поясняется фиг. 1 4. The invention is illustrated in FIG. fourteen.

На фиг. 1 показана структурно-принципиальная схема устройства прототипа; на фиг. 2 а) структурно-принципиальная схема устройства заявляемого изобретения, б) форма напряжения смещения, в) форма измерительного сигнала; на фиг. 3 форма градуировочных графиков устройств прототипа и заявляемого устройства; на фиг. 4 форма градуировочного графика устройства по сопротивлению и емкости через пиковый и синхронно-пиковый детекторы. In FIG. 1 shows a structural schematic diagram of a prototype device; in FIG. 2 a) structural diagram of the device of the claimed invention, b) the shape of the bias voltage, c) the shape of the measuring signal; in FIG. 3 form calibration curves of the devices of the prototype and the claimed device; in FIG. 4 form of the calibration curve of the device for resistance and capacitance through peak and synchronous peak detectors.

На фиг. 2а приведена структурно-принципиальная схема заявляемого устройства с развернутой принципиальной схемой резонансного чувствительного элемента (РЧЭ) и зарядно-разрядной цепи (ЗР). Она содержит генератор зондирующего напряжения 1, генератор модулирующего напряжения 2, резонансный чувствительный элемент 3, первичный преобразователь 4 в комплекте с высокочастотным кабелем, соединяющий первичный преобразователь с резонансным чувствительным элементом, электронный ключ 5 и источник постоянного напряжения 6, истоковый повторитель 7, истоковый повторитель 8, усилитель высокочастотного сигнала 9, в комплекте с ним амплитудный детектор, пиковый детектор 10, синхронно-пиковый детектор 12, управляемый модулирующим напряжением, подаваемым от генератора 2 через развязывающий блок 11, цифровой регистратор измерительных сигналов 13. In FIG. 2a shows a structural schematic diagram of the inventive device with an expanded circuit diagram of a resonant sensitive element (RFE) and a charge-discharge circuit (ZR). It contains aprobe voltage generator 1, a modulatingvoltage generator 2, aresonant sensing element 3, a primary transducer 4 complete with a high-frequency cable, connecting the primary transducer with a resonant sensitive element, anelectronic switch 5 and aconstant voltage source 6, asource repeater 7, asource repeater 8 , a high-frequency signal amplifier 9, complete with an amplitude detector, apeak detector 10, a synchronously-peak detector 12, controlled by a modulating voltage, supplied from thegenerator 2 through thedecoupling unit 11, a digital recorder of measuring signals 13.

Работает устройство по принципу резонансно-импедансного метода измерений: на РЧЭ и первичный преобразователь (зонд) одновременно подают зондирующее частотно-модулированное синусоидальное напряжение от генератора 1 и импульсное напряжение смещения от генератора 5, амплитуда импульсов в два-три раза превышает потенциал плазмы (пространства). В РЧЭ частотно-модулированное синусоидальное напряжение преобразовывается в амплитудно-модулированное синусоидальное напряжение и становится измерительным высокочастотным сигналом. Напряжение смещения зарядив ЗР цепь и первичный преобразователь до импульсного значения отключается, в этот момент ЗР цепь начинает разряжаться зондовым током I_ео, при этом на емкости ЗР цепи формируется низкочастотный измерительный сигнал в виде напряжения U_с(t) (см. фиг. 2б). Высокочастотный измерительный сигнал с выхода РЧЭ поступает на истоковый повторитель, затем на усилитель, амплитудный детектор; с одного из выходов амплитудного детектора измерительный сигнал U_1,2 поступает на регистратор, с другого выхода поступает на пиковый детектор, на выходе которого сигнал U₁ получается в виде непрерывной линии; с третьего выхода амплитудного детектора сигнал поступает на синхронно-пиковый детектор, а на его выходе получается U₂ в виде непрерывной линии (см. градуировочный график фиг.4). На фиг. 2в показана форма измерительного сигнала U_1,2, формируемая в течение одного периода напряжения смещения. Видно, что уровень U₁ принимает некоторый минимум U_1м, когда напряжение смещения превышает потенциал плазмы (пространства) в призондовой области. Это участок ВС (фиг. 2б), на котором низкочастотный измерительный сигнал U_с(t)=U₃(t) имеет линейную форму, следовательно, он формируется постоянным электронным током насыщения при отсутствии ионного слоя. Уровень U₁>U_1м наблюдается на участках, где на электродах зонда присутствует ионные слои это участки СД и ДЕ, а на участке ДЕ на зонд одновременно поступают равные количества электронов и ионов, образовавшийся при этом потенциал U_пл, называется плавающим потенциалом плазмы.The device operates on the principle of a resonance-impedance measurement method: the RFE and the primary converter (probe) simultaneously supply a probing frequency-modulated sinusoidal voltage fromgenerator 1 and a pulse bias voltage fromgenerator 5, the pulse amplitude is two to three times the plasma potential (space) . In RFE, a frequency-modulated sinusoidal voltage is converted to an amplitude-modulated sinusoidal voltage and becomes a measuring high-frequency signal. The bias voltage, having charged the ZR circuit and the primary converter to a pulse value, is turned off, at this moment the ZR circuit starts to be discharged by the probe current I_eo , while a low-frequency measuring signal is formed on the capacitance of the ZR circuit in the form of voltage U_s (t) (see Fig. 2b) . The high-frequency measuring signal from the RFE output is fed to the source follower, then to the amplifier, an amplitude detector; from one of the outputs of the amplitude detector, the measuring signal U_1,2 arrives at the recorder, from the other output it enters the peak detector, at the output of which the signal U_{1 is} obtained in the form of a continuous line; from the third output of the amplitude detector, the signal enters the synchronously-peak detector, and at its output U_{2 is} obtained in the form of a continuous line (see the calibration graph of FIG. 4). In FIG. 2c shows the waveform of the measuring signal U_1,2 formed during one period of the bias voltage. It is seen that the level of U₁ takes a certain minimum of U_1m when the bias voltage exceeds the plasma (space) potential in the near-probe region. This is the portion of the aircraft (Fig. 2b), in which the low-frequency measuring signal U_with (t) = U₃ (t) has a linear shape, therefore, it is formed by a constant saturation electron current in the absence of an ionic layer. The level U_1> U_1m observed on sites where the probe is present on the electrodes ion layers are areas SD and DE and DE portion on the probe simultaneously fed equal amounts of electrons and ions, formed during this potential U_pl, called plasma floating potential.

Перед экспериментом устройство градуируют по сопротивлению R_x и по емкости С_x; форма градуировочных графиков приведена на фиг. 3 и фиг. 4. Расшифровку записи измерительных сигналов выполняют в следующей последовательности, начиная с расшифровки высокочастотного сигнала:
на участках с минимальным уровнем U_1м определяют значения U_1м(t) и U_2м(t), по которым с помощью градуировочного графика типа фиг. 3а определяют R_x(t), а с помощью графика типа фиг. 3б и значений R_x(t) определяют значения C_x и ΔC_x= C_o-C_x;
определяют удельную электрическую проводимость σ, приращение диэлектрической проницаемости De′, диэлектрическую проницаемость ε′ и тангенс угла диэлектрических потерь, используя измеренные величины и первичные функциональные связи

(12)

(13)
ε′(t) = 1 ± Δε′(t)отн.ед (14)

(15)
Концентрацию электронов N_е см^-3 и эффективную частоту столкновения электронов νC_эффc^-1 определяют из совместного решения уравнений для σ и De′, объединяющих в себе измеренные и определяемые параметры

(16)

(17)
определяют давление P ионизованного газа в призондовой области
P(t) = 1,43•10^-11ν_эффатм (18)
Низкочастотный измерительный сигнал расшифровывают в такой последовательности:
определяют пространственный U_п и плавающий потенциалы
U_п=OU_п(B); U_пл=-OU_пл(B) (19)
определяют температуру электронов Т_е, используя известные соотношения

(20)
е заряд электрона, "γ=5,04"=5,04 постоянная для атмосферы, к постоянная Больцмана, m_i и m_e масса иона и масса электрона;
определяют значение электронного тока насыщения I_ео

(21)
Здесь AU_п изменение напряжения на суммарной емкости C_Σ за время Dt, А суммарная емкость ЗР цепи, которая определяется при градуировке устройства постоянным током (фиг. 3в);
определяют концентрацию электронов N'_e, используя известные соотношения

(22)
где j_ео=I_ео/S (A/см² плотность электронного тока насыщения;
S (см²) рабочая площадь первичного преобразователя (зонда).Before the experiment, the device is graduated by resistance R_x and by capacitance C_x ; the shape of the calibration graphs is shown in FIG. 3 and FIG. 4. The interpretation of the recording of the measuring signals is performed in the following sequence, starting with the decryption of the high-frequency signal:
in areas with a minimum level of U_1m , the values of U_1m (t) and U_2m (t) are determined, according to which, using a calibration graph such as FIG. 3a, R_x (t) is determined, and using a graph such as FIG. 3b and the values of R_x (t) determine the values of C_x and ΔC_x = C_o -C_x ;
determine the electrical conductivity σ, the increment of the dielectric constant De ′, the dielectric constant ε ′ and the dielectric loss tangent using measured values and primary functional relationships

(12)

(thirteen)
ε ′ (t) = 1 ± Δε ′ (t) rel.ed (14)

(fifteen)
The electron concentration N_e cm^-3 and the effective electron collision frequency νC_eff c^{-1 are} determined from the joint solution of the equations for σ and De ′, combining the measured and determined parameters

(16)

(17)
determine the pressure P of the ionized gas in the near-probe region
P (t) = 1.43 • 10^-11 ν_eff atm (18)
The low-frequency measuring signal is decoded in the following sequence:
determine the spatial U_p and floating potentials
U_p = OU_p (B); U_pl = -OU_pl (B) (19)
determine the electron temperature T_e using known relations

(20)
e is the electron charge, "γ = 5.04" = 5.04 is the constant for the atmosphere, k is the Boltzmann constant, m_i and m_{e are the} mass of the ion and the mass of the electron;
determine the value of the electronic saturation current I_ео

(21)
Here AU_{p is} the voltage change on the total capacitance C_Σ during the time Dt, And the total capacitance of the ZR circuit, which is determined by calibrating the device with direct current (Fig. 3c);
determine the electron concentration N '_e using known relations

(22)
where j_eo = I_eo / S (A / cm^{2 the} density of the electronic saturation current;
S (cm² ) the working area of the primary transducer (probe).

На этом расшифровка измерительной информации закончена. This decryption of the measurement information is completed.

Результаты измерений, получаемые резонансно-импендансным методом, тождественно одинаковы как в прототипе, так и в заявляемом изобретении. Однако заявляемое устройство позволяет расширить диапазон измерений активной составляющей на полтора два порядка за счет увеличения емкости первичного преобразователя по сравнению с прототипом и, кроме того, заявляемое устройство позволяет работать с выносным первичным преобразователем (зондом) на расстоянии до 11 км от резонансного чувствительного элемента. Последнее позволяет проводить измерения в глубинах пробуренных скважин, в глубинах морей, океанов, в зонах, где человеку опасно находиться (при наличии отравляющих веществ, радиационная опасность и т.п. зараженных средах), в различных труднодоступных местах. The measurement results obtained by the resonance-impedance method are identically identical both in the prototype and in the claimed invention. However, the claimed device allows you to expand the measurement range of the active component by one and a half two orders of magnitude by increasing the capacity of the primary transducer compared to the prototype and, in addition, the claimed device allows you to work with a remote primary transducer (probe) at a distance of up to 11 km from the resonant sensitive element. The latter allows measurements to be taken in the depths of drilled wells, in the depths of the seas, oceans, in areas where it is dangerous for a person to be (in the presence of toxic substances, radiation hazard, etc., infected environments), in various hard-to-reach places.

1. Краснушкин Е.П. и Колесников Н.Л. Геомагнетизм и аэрономия. 1965, 5, N 1, с.55. 1. Krasnushkin EP and Kolesnikov N.L. Geomagnetism and aeronomy. 1965, 5,N 1, p. 55.

2. Колесников Н.Л. и др. Авт.св. N 388221. 2. Kolesnikov N.L. etc. Avt.sv. N 388221.

3. Аксенов В.И. и др. Космические исследования. 1976, N 3, с.392. 3. Aksenov V.I. and others. Space research. 1976,N 3, p. 392.

4. Колесников Н.Л. и др. Способ измерения импенданса плазмы. Авт.св. N 458749. 4. Kolesnikov N.L. et al. Method for measuring plasma impedance. Auto St N 458749.

5. Колесников Н.Л. и др. Заявка N 4750813/25 от 19.11.91. 5. Kolesnikov N.L. and other Application N 4750813/25 of 11/19/91.

6. Грановский В.Л. Электрический ток в газах, т.1, М. 1952. 6. Granovsky V.L. Electric current in gases, vol. 1, M. 1952.

7. Гинзбург В.Л. Распределение электромагнитных волн в плазме. М. Наука, 1976 г. 7. Ginzburg V.L. The distribution of electromagnetic waves in a plasma. M. Science, 1976

8. Долуханов М.П. Распространение радиоволн. М. 1960 г. 8. Dolukhanov M.P. Propagation of radio waves. M. 1960

9. Швилкин Б.Н. и др. Физическая электроника в задачах. М. Наука, 1977 г. 9. Shvilkin B.N. and others. Physical electronics in tasks. M. Science, 1977

10. Николаев В.М. Радиотехника и электроника, 1986, т.31. N 6, с.206. 10. Nikolaev V.M. Radio engineering and electronics, 1986, v.31.N 6, p.206.

Claims (1)

Translated fromRussian

Устройство для анализа газовых, жидких и сыпучих сред, содержащее зонд, генератор зондирующего напряжения, к входу которого подсоединен генератор синусоидального модулирующего напряжения, резонансный чувствительный элемент и последовательно соединенные усилитель высокой частоты и амплитудный детектор, отличающееся тем, что введены последовательно соединенные пиковый детектор и цифропечатающий регистратор, первый истоковый повторитель, выход которого соединен с входом усилителя высокой частоты, второй истоковый повторитель и развязывающий блок, включенный между выходом генератора модулирующего напряжения и первым входом введенного синхронного детектора, источник постоянного напряжения смещения, отрицательный полюс которого соединен с общей шиной, а положительный полюс через первый резистор соединен с подвижным контактом электронного реле, нормально разомкнутый контакт которого соединен через первый конденсатор с входом второго истокового повторителя, а через последовательно соединенные второй конденсатор и второй резистор с общей шиной, выход амплитудного детектора соединен с вторым входом синхронного детектора и через пиковый детектор с первым входом цифропечатающего регистратора, к второму входу которого подключен выход синхронного детектора, при этом резонансный чувствительный элемент выполнен в виде двух трансформаторно связанных контуров, каждый конец первичной обмотки которого через соответствующий проходной конденсатор соединен с общей шиной, к одному концу первичной обмотки через третий резистор подключен выход генератора зондирующего напряжения, а другой конец соединен через третий конденсатор с входом первого истокового повторителя, а к каждому концу вторичной обмотки резонансного чувствительного элемента через проходной конденсатор и соответствующий проводник двухжильного высокочастотного кабеля подключен зонд и параллельно соединенные четвертый конденсатор и шунтирующий резистор, средняя точка которого соединена с нормально разомкнутым контактом электронного реле. A device for analyzing gas, liquid and granular media, containing a probe, a probe voltage generator, to the input of which is connected a sinusoidal modulating voltage generator, a resonant sensing element and a series-connected high-frequency amplifier and an amplitude detector, characterized in that a peak detector and digital printing are connected in series a registrar, a first source follower, the output of which is connected to the input of a high-frequency amplifier, a second source follower and a connecting block connected between the output of the modulating voltage generator and the first input of the introduced synchronous detector, a bias constant voltage source, the negative pole of which is connected to the common bus, and the positive pole through the first resistor is connected to the movable contact of the electronic relay, the normally open contact of which is connected through the first capacitor with the input of the second source follower, and through a series-connected second capacitor and second resistor with a common bus, the output of the amplitude the detector is connected to the second input of the synchronous detector and through a peak detector with the first input of the digital printing recorder, the second input of which is connected to the output of the synchronous detector, while the resonant sensitive element is made in the form of two transformer coupled circuits, each end of the primary winding of which is connected through a corresponding passage capacitor to the common bus, to one end of the primary winding through the third resistor is connected the output of the probe voltage generator, and the other end is connected to Res third capacitor to the input of the first source follower, and to each end of the secondary winding of the resonant sensor element via the coupling capacitor and the corresponding conductor of the two-wire cable connected to a high-frequency probe and a fourth capacitor connected in parallel and shunt resistor, the midpoint of which is connected to the normally open contact of the electronic relays.

Images