Способ измерения влажности на свч (варианты)

 

Относится к косвенным методам измерения физических свойств и состава веществ и материалов с помощью электромагнитных полей диапазона СВЧ. Способ измерения влажности на СВЧ представлен вариантами, основанными на измерении электрического сигнала на детекторе, подключаемом к различным точкам передающей линии, соединяющей элемент развязки с чувствительным элементом датчика. 3 с. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к косвенным методам измерения физических свойств и состава веществ и материалов, например, влажности, с помощью электромагнитных полей диапазона СВЧ и может быть использовано для контроля содержания влаги и регулирования технологических процессов в различных отраслях промышленности и научных исследованиях. Предлагаемый амплитудно-фазовый способ обеспечивает высокую чувствительность измерения в широком диапазоне значений влажности.

В СВЧ влагометрии сложилось направление, основанное на измерении амплитуды электрического сигнала U, выделяющегося на детекторе, связанном с резонаторным датчиком, нагруженным на исследуемый объект (среду или образец, влажность которого требуется определить). Если предварительно найдена с помощью эталонов (т. е. образцов с известной влажностью) однозначная зависимость U(W), называемая функцией преобразования, то сигнал U можно считать мерой влажности W.

Способы-аналоги измерения влажности на СВЧ, описанные в [1] предполагают измерение электрического сигнала U на детекторе, включенном в волноводную линию между элементами развязки и измерительным резонатором. Сигнал U может быть получен либо перестройкой частоты генератора, либо изменением резонансной частоты резонатора. Требование перестройки обусловливает недостатки аналогов, т.к. для их осуществления необходимы либо генератор качающейся частоты, либо резонатор с устройствами, обеспечивающими возможность изменения резонансной частоты в широком интервале значений (аналоги).

Наиболее близким к изобретению является способ измерения влажности на СВЧ, заключающийся в воздействии на исследуемый объект электромагнитным полем открытого резонатора на фиксированной частоте, измерении электрического сигнала на детекторе, подключенном к линии передачи, соединяющей генератор и резонатор, и определении величины влажности по предварительно найденной с помощью эталонов зависимости между влажностью и электрическим сигналом [2] Резонатор периодически поступательно перемещают относительно исследуемого объекта, чем обеспечивают частотную перестройку, а электрический сигнал измеряют в момент совпадения резонансной частоты с частотой генератора. Преимущество способа-прототипа заключается в возможности использования высокостабильного по частоте генератора и простой схемы регистрации сигнала. Недостаток прототипа заключается в том, что измеряемый сигнал зависит только от амплитуды поглощения электромагнитной волны в образце, а информация об изменении фазы отраженной волны теряется, в результате чего чувствительность измерения не достигает максимально возможной величины. Кроме того, наличие механического устройства усложняет влагомер и снижает надежность (прототип).

Предлагаемые способы измерения влажности, заключающиеся в воздействии на исследуемый объект электромагнитным полем открытого волноводного резонатора СВЧ на фиксированной частоте и измерении электрического сигнала, выделяемого на детекторе, подключенном к передающей линии, соединяющей генератор и резонатор, отличаются тем, что с целью увеличения динамического диапазона измеряемого электрического сигнала за счет сложения эффектов изменения амплитуды и фазы стоячей электромагнитной волны, рабочую частоту выбирают совпадающей с резонансной для резонатора, нагруженного на объект с предельным (максимальным или минимальным) значением влажности, связь резонатора с линией для этого объекта устанавливают критической, а детектор подключают к такой точке передающей линии, в которой расположен минимум электрической составляющей стоячей волны для резонатора, нагруженного на объект с влажностью, равной другому предельному значению.

Вариант способа измерения влажности на СВЧ отличается от описанных тем, что с целью увеличения динамического диапазона электрического сигнала, рабочую частоту выбирают совпадающей с резонансной для резонатора, нагруженного на объект со средним значением влажности, связь резонатора с линией на этом значении влажности устанавливают критической, а детектор подключают к такой точке передающей линии, которая совпадает с положением минимума электрической составляющей стоячей волны для резонатора, нагруженного на объект с предельным (максимальным или минимальным) значением влажности.

Следующий вариант способа измерения влажности на СВЧ отличается тем, что с целью получения электрического сигнала, используемого для автоматической калибровки влагомера, детектор дополнительно подключают к такой точке передающей линии, в которой этот сигнал не зависит от величины влажности, и используют его в качестве внутреннего эталона.

Предлагаемые способы измерения влажности базируются на результатах исследования авторами свойств открытых волноводных резонаторов. Некоторые из этих результатов представлены ниже в качестве подтверждения возможности осуществления изобретения.

На фиг. 1 дана структурная схема датчика СВЧ: на фиг. 2, 3 и 4 приведены данные измерения напряжения U на детекторе измерительной линии, соединяющей элемент развязки с чувствительным элементом (ЧЭ) в виде открытого волноводного резонатора (ОВР), как функции от координаты z вдоль линии. Фиг. 5 показывает функции преобразования U(W) для различных вариантов измерения.

Предлагаемые способы измерения влажности могут быть реализованы с помощью датчиков, общая структурная схема которых изображена на фиг. 1. Датчик содержит генератор 1, элемент развязки 2, передающую линию 3, к которой с помощью переключателя 4 подключен детектор 5. Передающая линия 3 через переход и элемент связи соединена с ЧЭ в виде ОВР, нагруженным на исследуемый объект. Линия 3 может быть выполнена как волноводной, так и микрополосковой, а детектор 5 (и дополнительные детекторы) могут подключаться к различным точкам линии 3 либо смонтированы в требуемых точках волновода. Электрический сигнал U, снимаемый с детектора 5, служит мерой влажности W исследуемого объекта.

Опыт показывает, что изменение влажности исследуемого объекта приводит к изменению резонансной частоты и добротности ОВР. Поэтому для того, чтобы осуществить требуемую для реализации предлагаемых способов измерения влажности предварительную настройку датчика, имея генератор, работающий на фиксированной стабилизированной частоте, нужно обеспечить возможность подстройки собственной частоты и коэффициента связи ОВР в некоторых пределах. В описанных ниже опытах рабочая частота генератора 1 была стабилизирована диэлектрическим резонатором и составляла 10,538 ГГц. Использовали нерегулярный ОВР на базе отрезка прямоугольного волновода с входным сечением 23х10 и выходным 23х3 мм. ОВР отделен от исследуемой среды фторопластовой защитной заглушкой, установленной на выходном торце (см. напр. [1]). Резонансную частоту подстраивали изменением длины резонатора с помощью фланцевых прокладок, ввозимых между диафрагмой и входным фланцем резонатора. Приведенные ниже данные получены на трех резонаторах, имеющих длину 37, 33,8 и 33 мм. В качестве элементов связи использовали индуктивные диафрагмы шириной 12, 11 и 14 мм соответственно (И12, И11, И14).

Картины стоячих волн (фиг. 2-4) получены с помощью схемы фиг. 1, где в качестве линии передачи 3 использовали волноводную измерительную линию типа Р1-28, к выходному фланцу которой подключали названные ЧЭ.

На фиг. 2 показана зависимость напряжения U, снимаемого с детектора измерительной линии, от положения зонда z для ОВР длиной 37 мм с индуктивной диафрагмой И12. Числа около кривых, изображающих стоячую волну, обозначают объемную влажность W модельных растворов изопропилового спирта (C₃H₇OH) в воде: W=V_в/(V_в+V_с), (1) где V_в, V_с объем воды и спирта соответственно.

Видно, что ОВР согласован на спирте (W=0), а увеличение содержания воды в растворе приводит к увеличению модуля коэффициента отражения и небольшому изменению его фазы .

На фиг. 3 показаны картины стоячих волн для ОВР длиной 33,8 мм с диафрагмой И11. Видно, что ОВР близок к согласованию при больших влажностях (W1), и уменьшение влажности вызывает увеличение и монотонное изменение фазы ..

На фиг. 4 приведены распределения напряжения стоячих волн для ОВР длиной 33 мм с диафрагмой И14. Видно, что ОВР близок к согласованию при средней величине влажности (W 0,5), изменение влажности как в сторону нижнего предела (W 0), так и в сторону верхнего (W 1) вызывают увеличение При этом сдвиг фазы коэффициента отражения при переходе от средней влажности к предельным значениям происходит в противоположных направлениях, о чем свидетельствует положение узлов и пучностей стоячей волны. При достижении предельных значений влажности пучности и узлы стоячей волны меняются местами. Такая зависимость от влажности W приводит к тому, что в передающей линии существует точка, в которой напряжение не зависит от влажности (точка z₃ на фиг. 4).

Как известно, напряжение U на квадратичном детекторе измерительной линии зависит от коэффициента отражения нагрузки и координаты z следующим образом (см. напр.[3, с. 185]): где U₀ напряжение падающей волны.

Картины стоячих волн, показанные на фиг. 2-4, типичны для многих резонансных ЧЭ, взаимодействующих с влажным объектами. Количественные результаты соответствуют формуле (2), с учетом зависимости от комплексной диэлектрической проницаемости исследуемой среды и характеристик объемных резонаторов, у которых связь с питающей линией СВЧ близка к критической (см. напр. [4, с. 245, фиг. 5,3,6.).

Данные, приведенные на фиг. 2-4, иллюстрируют варианты предлагаемых способов измерения.

Если в датчике, настроенном так, как это было сделано при получении результатов, показанных на фиг. 2, детектор подключить в точке z=20,5 мм, где расположен минимум электрической составляющей стоячей волны, то напряжение U будет монотонно уменьшаться с увеличением влажности W (способ по п. 1 формулы изобретения).

Если в датчике, на котором получены результаты, показанные на фиг. 3, подключить детектор в точку z=18 мм, то U будет монотонно увеличиваться с увеличением влажности W (способ по п. 2 формулы).

Если подключить детектор к точкам, в которых расположены минимумы электрической составляющей стоячей волны на предельных значениях влажности (z₁ при W= 1 или z₂ при W=0 на фиг. 4), то напряжения U, снимаемые с детектора, будут монотонной функцией W (способ по п. 3).

Влагомеры, в которых реализуются способы измерения по п.п. 1-3 формулы изобретения, требуют периодической поверки и калибровки с помощью внешнего эталона, т.е. объекта с известной влажностью. Таким эталоном может быть, например, вода (W=1).

Способ измерения по п. 4, когда в точке z₃ (фиг. 4) подключают дополнительный детектор, сигнал на котором U₃ не зависит от влажности, не требует внешнего эталона, т.к. сигнал U₃ может быть использован для контроля и калибровки влагомера в качестве внутреннего эталона. Это преимущество особенно важно для влагомеров непрерывного действия, когда нет возможности воспользоваться внешним эталоном.

Для того, чтобы сравнить достоинства и недостатки предлагаемых способов измерения влажности, на фиг. 5 показаны функции преобразования в координатах U/U₀ W, где U₀ напряжение падающей волны (влажность W выражена в). Кривые 1 и 2 построены для способов по п.п. 1 и 2, реализуемых с помощью описанных выше ОВР длиной 37 мм с диафрагмой И12 и 33,8 мм с диафрагмой И11, настроенных на согласование на нижнем (W=0) и на верхнем (W=1) пределах влажности соответственно. Кривая 3 (U U₃)/U₃ W построена для способа по п. 4 (U₃ U₀). Видно, что динамический диапазон изменения относительного напряжения при измерении способом по п. 4 более чем в два раза превышает динамический диапазон, достигаемый способами по п. п. 1, 2 для одного и того же диапазона влажностей. Кривая 3 демонстрирует еще одно важное преимущество способа измерения по п. 4, заключающееся в том, что функция преобразования проходит через ноль при среднем значении влажности, на которое был настроен ЧЭ, что обеспечивает возможность оптимального сопряжения СВЧ влагомера с устройствами регулирования влажности в непрерывных технологических процессах.

Источники информации 1. Кондратьев Е. Ф. Михальцевич В.Т. Слободяник В.М. и др. Резонансный метод измерения влажности на сверхвысоких частотах. Дефектоскопия, 1988, N 5, с. 59-63 (аналоги).

2. А.с. 654886 СССР, кл. G 01 N 23/24. Сверхвысокочастотный резонансный влагомер / Ю. А. Скрипник, А. И. Лавриненко, Р.Т. Франко и др. (СССР). N 2487435/18-09; Заявлено 19.03.77; Опубл. 30.03.79, Бюл. N 12 (прототип).

3. Лебедев И. В. Техника и приборы СВЧ. В 2-х т. /Под ред. акад. Н.Д. Девяткова. т. 1. М. Высшая школа, 1970, 439 с.

4. Альтман Дж. Устройства СВЧ. М. Мир, 1968, 487 с.

Формула изобретения

1. Способ измерения влажности на СВЧ, заключающийся в воздействии на исследуемый объект электромагнитным полем открытого волноводного резонатора на фиксированной частоте, измерении электрического сигнала на детекторе, подключенном к линии передачи, соединяющей генератор и резонатор, и определении величины влажности по предварительно найденной с помощью эталонов зависимости между влажностью и электрическим сигналом, отличающийся тем, что частоту выбирают совпадающей с резонансной для резонатора, нагруженного на объект с минимальным значением влажности, связь резонатора с линией для данного объекта устанавливают критической, предварительно нагружают резонатор на объект с максимальным значением влажности, находят положение точки минимума электрической составляющей стоячей волны, и детектор подключают к этой точке.

2. Способ измерения влажности на СВЧ, заключающийся в воздействии на исследуемый объект электромагнитным полем открытого волноводного резонатора на фиксированной частоте, измерении электрического сигнала на детекторе, подключенном к линии передачи, соединяющей генератор и резонатор, и определении величины влажности по предварительно найденной с помощью эталонов зависимости между влажностью и электрическим сигналом, отличающийся тем, что частоту выбирают совпадающей с резонансной для резонатора, нагруженного на объект с максимальным значением влажности, связь резонатора с линией для данного объекта устанавливают критической, предварительно нагружают резонатор на объект с минимальным значением влажности, находят положение точки минимума электрической составляющей стоячей волны, и детектор подключают к этой точке.

3. Способ измерения влажности на СВЧ, заключающийся в воздействии на исследуемый объект электромагнитным полем открытого волноводного резонатора на фиксированной частоте, измерении электрического сигнала на детекторе, подключенном к линии передачи, соединяющей генератор и резонатор, и определении величины влажности по предварительно найденной с помощью эталонов зависимости между влажностью и электрическим сигналом, отличающийся тем, что частоту выбирают совпадающей с резонансной для резонатора, нагруженного на объект со средним значением влажности, связь резонатора с линией для данного объекта устанавливают критической, предварительно нагружают резонатор на объект с предельным значением влажности, находят положение точки минимума электрической составляющей стоячей волны, и детектор подключают к этой точке.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что дополнительно находят положение другой точки, отстоящей от минимума электрической составляющей на расстоянии, равном 1/8 длины волны, такой, что электрический сигнал на втором детекторе, подключенном к этой точке, не зависит от влажности, подключают детектор к этой точке, измеряют сигнал на этом детекторе и используют его в качестве внутреннего эталона.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5