Датчик для измерения диэлектрических характеристик жидкостей

 

Изобретение относится к измерительной технике сверхвысоких частот. В частности, оно может использоваться в системах оперативного контроля параметров жидкостей и разного рода технологических процессах. Техническим результатом изобретения является увеличение точности измерения действительной части диэлектрической проницаемости жидкости при больших величинах ее мнимой части, а также увеличение диапазона измеряемых величин мнимой части диэлектрической проницаемости исследуемых жидкостей, кроме того, планарность конструкции позволяет использовать заявляемый датчик в системах оперативного контроля диэлектрических характеристик жидкостей непосредственно в технологических процессах. Датчик для измерения диэлектрических характеристик жидкостей содержит микрополосковый резонатор и цепи связи с линиями передачи, новым является то, что в заземляемом основании диэлектрической пластины выполнено окно, в котором расположены полосковые элементы, электромагнитно связанные с микрополосковым резонатором и образующие микрополосковую структуру, контактирующую непосредственно или через изолирующую прослойку с исследуемыми жидкостями, причем ее цепи связи с линиями передачи выполнены в виде металлизированных площадок, расположенных на диэлектрической пластине со стороны микрополоскового резонатора. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и технике сверхвысоких частот. В частности, оно может использоваться в системах оперативного контроля параметров жидкостей в разного рода технологических процессах.

Известна ячейка для измерения диэлектрической проницаемости жидкости [1] , содержащая проходной цилиндрический диэлектрический резонатор с металлизированной поверхностью и окнами связи с линиями передачи, в котором выполнено сквозное аксиальное отверстие под исследуемую жидкость. Вещественная часть диэлектрической проницаемости жидкости определяется по изменению частоты резонатора для колебаний типа H₀₁₁, а мнимая часть - по изменению добротности резонатора.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков аналогом является ячейка для измерения диэлектрической проницаемости жидкости [2], содержащая проходной полосковый резонатор, который образован двумя отрезками полосковых линий с диэлектрическим заполнением, соединенных отрезком воздушной полосковой линии. Измеряемой жидкостью заполняют воздушный участок полоскового резонатора. Вещественную часть диэлектрической проницаемости определяют по изменению резонансной частоты полоскового резонатора, а мнимую часть - по изменению его добротности.

При использовании ячеек [1] и [2] для исследования жидкости, имеющей сравнительно большую по величине мнимую часть диэлектрической проницаемости, точность измерения резонансной частоты уменьшается из-за снижения добротности измерительного резонатора. Вместе с этим уменьшается и чувствительность ячейки к изменению действительной части диэлектрической проницаемости жидкости. Кроме того, проблематично использование подобных конструкций в системах оперативного контроля технологических процессов.

Техническим результатом при использовании изобретения является увеличение точности измерения действительной части диэлектрической проницаемости жидкости при больших величинах ее мнимой части, а также увеличение диапазона измеряемых величин мнимой части диэлектрической проницаемости исследуемых жидкостей. Кроме того, планарность конструкции позволяет использовать заявляемый датчик в системах оперативного контроля диэлектрических проницаемостей жидкостей непосредственно в технологических процессах.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в датчике, содержащем микрополосковый резонатор и цепи связи с линиями передачи, дополнительно выполнено окно в заземляемом основании диэлектрической пластины, в котором расположены полосковые элементы, электромагнитно связанные с микрополосковым резонатором и образующие микрополосковую структуру, контактирующую непосредственно или через изолирующую прослойку с исследуемыми жидкостями, причем ее цепи связи с линиями передачи выполнены в виде металлизированных площадок, расположенных на диэлектрической пластине со стороны микрополоскового резонатора.

Отличия заявляемого устройства от наиболее близкого аналога заключаются в том, что в заземленном основании диэлектрической пластины резонатора выполнено окно, в котором расположены металлизированные полосковые элементы, образующие двухзвенную (или многозвенную) структуру из электромагнитно связанных между собой и с микрополосковым резонатором элементов, причем цепи связи структуры с линиями передачи выполнены в виде металлизированных контактных площадок, расположенных на диэлектрической пластине со стороны микрополоскового резонатора.

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображены вид сверху (а) и вид снизу (б) заявляемого датчика.

Заявляемый датчик представляет собой диэлектрическую пластину 1, на верхней стороне которой выполнены полосковые проводники резонатора 2 и металлизированные контактные площадки 3 и 4 для связи расположенных на нижней стороне диэлектрической пластины полосковых элементов 5 и 6 с линиями передачи. Заземляемое основание 7 на нижней стороне диэлектрической пластины имеет окно 8, в котором и расположены полосковые элементы 5 и 6. При измерениях нижняя поверхность датчика контактирует с исследуемой жидкостью либо непосредственно, либо через изолирующее покрытие. Амплитудно-частичная характеристика двухзвенной (многозвенной) полосковой структуры имеет полосу со сравнительно равномерным коэффициентом прохождения f 0,1 f и более в зависимости от количества элементов и расстояния между ними, где f - центральная частота полосы, определяемая резонансными частотами полосковых элементов, т. е. их размерами, диэлектрической проницаемостью пластины и, наконец, действительной частью диэлектрической проницаемости жидкости, находящейся в контакте с полосковыми элементами. Величина коэффициента прохождения в этой полосе сильно зависит от величины мнимой части диэлектрической проницаемости исследуемой жидкости, т.е. чем она больше, тем меньше коэффициент прохождения. При изменении действительной части диэлектрической проницаемости исследуемой жидкости изменяются и резонансные частоты полосковых элементов, что приводит к сдвигу полосы с равномерным коэффициентом прохождения образованной ими структуры (сдвигу частоты f), однако на фиксированной частоте f₁ внутри этой полосы существенного изменения коэффициента прохождения не наблюдается благодаря вышеуказанной его равномерности по частоте. С другой стороны, благодаря сильному электромагнитному взаимодействию полосковых элементов с микрополосковым резонатором резонансная частота f₂ последнего изменяется вместе с частотой полосковых элементов f. Причем высокие значения мнимой части диэлектрической проницаемости исследуемой жидкости приводят к гораздо меньшему снижению добротности микрополоскового резонатора, чем это имело бы место в случае его прямого контакта с исследуемой жидкостью. Благодаря этому сохраняется высокая точность измерения резонансной частоты микрополоскового резонатора f₂ и, как следствие, сохраняется высокая чувствительность датчика к изменениям действительной части диэлектрической проницаемости при высоких значениях мнимой.

Для проведения измерений микрополосковый резонатор 2 подключается к схеме измерения его резонансной частоты f₂, например, в качестве задающего резонатора в генераторе, частота генерации которого затем измеряется. Одна из контактных площадок, например 3, подключается к стабильному СВЧ-генератору, работающему на частоте f₁, попадающей примерно в середину частотного интервала f, которому соответствует равномерный участок амплитудно-частотной характеристики двухзвенной полосковой структуры. Ко второй контактной площадке 4 подключается измеритель прошедшей мощности. Благодаря емкостной связи контактных площадок 3 и 4 с полосковыми элементами 5 и 6 двухзвенная полосковая структура включена в цепь между генератором, работающим на частоте f₁, и измерителем мощности. Уровень прохождения на частоте f₁ мощности зависит от потерь в двухзвенной структуре, т.е. в конечном счете от величины мнимой части диэлектрической проницаемости исследуемой жидкости, которая с ней контактирует. Проградуировав предварительно датчик по жидкостям с известными величинами действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости, можно по частоте микрополоскового резонатора f₂ определить действительную часть диэлектрической проницаемости исследуемой жидкости, а по уровню прошедшей на частоте f₁ мощности - мнимую. Для оперативных измерений в технологических процессах заземляемым основанием 7 датчик может быть припаян к окну в стенке или дне емкости с исследуемой жидкостью либо к окну в стенке трубопровода.

Литература 1. А.с. СССР N 420957, кл. G 01 R 27/26.

2. А.с. СССР N 1720032, кл. G 01 R 27/26 (прототип).

Формула изобретения

Датчик для измерения диэлектрических характеристик жидкостей, содержащий микрополосковый резонатор и цепи связи с линиями передачи, отличающийся тем, что в заземленном основании диэлектрической пластины выполнено окно, в котором расположены полосковые элементы, электромагнитно связанные с микрополосковым резонатором и образующие микрополосковую структуру, контактирующую непосредственно или через изолирующую прослойку с исследуемыми жидкостями, причем ее цепи связи с линиями передачи выполнены в виде металлизированных площадок, расположенных на диэлектрической пластине со стороны микрополоскового резонатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1