Устройство для измерения диэлектрических параметров жидкостей

 

Изобретение обеспечивает расширение функциональных возможностей путем обеспечения непрерывного контроля отклонений диэлектрических параметровисследуемой жидкости от заданного закона их изменения. Сигнал от СВЧ-генератора 1 через делители мощности 2, 3 поступает по двум каналам на открытьй резонатор (ОР), образованный плоским зеркалом 4 и сферическим зеркалом 5. Мезду зеркалами 4, 5 расположена кювета 12, вьшолненная из диэлектр-ика, в пазах которой, находится исследуемая и эталонная жидкости . Посредством двух идентичных волноведущих щелей связи, прорезанных в плоском зеркале 4, в объеме ОР возбуждаются моды ТЕМ и ТЕМ„ , облаO7tL дающие двухосевой симметрией и отличающиеся расположением пятен полей. В ОР с изотропным заполнением в поперечном сечении эти моды вьфождены по .определенным частотам. При возникновении анизотропии свойств среды, заполняющей ОР, вырождение мод снимается и моды присутствуют в спектре ОР раздельно. Вывод энергии из ОР осуществляется посредством отверстия связи. Разделитель поляризации 9 выделяет возбуждаемые в ОР моды на разных поляриз ациях. Измеритель фазы 8, на который с фазового модулятора-6 через делитель мощности 7 подается опорный сигнал, выделяет информацию об амплитуде и фазе сигнала. Информация регистрируется регистратором 11 сканирование ОР осуществляется узлом 10., 1 з.п. ф-лы,. 2 ил. (О 00 00 о 01 сх Од

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (11) А1 (51) 4 С.01 R 27/26

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

g(p(nn Щ Я

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

Н АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3958959/24-09 (22) 26.08.85 (46) 15.08.87. Бюл. Ф 30 (71) Институт радиофизики и электроники АН УССР (72) А.В.Вертий, В.Н.Деркач, И.В.Иванченко и.В.П.Шестопалов (53) 621.3 17.335.3(088.8) (56) Журнал физической химии, 1983, т. 57, М 1, с. 250-254.

ПТЭ, 1984, N 1, с. 204-206. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЖИДКОСТЕЙ (57) Изобретение обеспечивает расширение функциональных воэможностей путем обеспечения непрерывного контроля отклонений диэлектрических параметров исследуемой жидкости от заданного закона их изменения. Сигнал от

СВЧ-генератора 1 через делители мощности 2, 3 поступает по двум каналам на открытый резонатор (OP), образованный плоским зеркалом 4 и сферическим зеркалом 5. Мезду зеркалами 4, . 5 расположена кювета 12, выполненная из диэлектрика, в пазах которой. находится исследуемая и эталонная жидкости. Посредством двух идентичных волноведущих щелей связи, прорезанных в плоском зеркале 4, в объеме ОР возбуждаются моды TEM и ТЕМ, облаог гос дающие двухосевой симметрией и отличающиеся расположением пятен полей.

В OP с изотропным заполнением в поперечном сечении эти моды.вырождены. по определенным частотам. При возникновении анизотропии свойств среды, заполняющей ОР, вырождение мод снимается и моды присутствуют в спектре

0Р раздельно. Вывод энергии из OP осуществляется посредством отверстия связи. Разделитель поляризации 9 выделяет возбуждаемые в 0Р моды на разных поляризациях, Измеритель фазы 8, на который с фазового модулятора 6 через делитель мощности 7 подается опорный сигнал, выделяет информацию об амплитуде и фазе сигнала. Информация регистрируется регистратором 11. сканирование OP осуществляется узлом 10.,- 1 з.п. ф-лы. 2 ил.

Изобретение относится к технике измерений в диапазонах миллиметровых и субмиллиметровых длин волн, а именно к измерению диэлектрических пара5 метров жидких диэлектриков.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей путем обеспечения непрерывного контроля отклонений диэлектрических параметров исследуемой жидкости от заданного закона их изменения.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для измерения диэлектрических параметров жидкостей; на. фиг. 2 — конструкция кюветы.

Устройство для измерения диэлектрических параметров жидкостей содержит СВЧ-генератор 1, выход которого соединен с входом первого делителя 2 мощности, первый выход которого соединен с входом второго делителя 3 мощности, первый и второй выходы которого соединены с открытым резонатором, образованным плоским зеркалом 4 и сферическим зеркалом 5, посредством щелей связи, прорезанных в плоском зеркале 4 под углом одна к другой и равноотстоящих от оси от крытого резонатора, к второму выходу первого делителя 2 мощности подсоединен вход фазового модулятора 6, выход которого соединен с входом третьего делителя 7 мощности, первый и второй выходы которого соединены с опорными входами блока для измерения характеристик резонатора, выполненного в виде измерителя 8 фазы, сигнальные входы которого соединены с первым и вторым выходами разделителя 9 поляри40 зации, вход которого соединен с открытым резонатором посредством отверстия связи, прорезанного в сферическом зеркале 5.

Сферическое зеркало 5 снабжено уз- 45 лом 10 перемещения, который соединен с входом регистратора 11, другой вход которого соединен с выходом измерителя 8 фазы. На оси открытого резонатора внутри него установлена кювета 5р

12, выполненная из диэлектрика, толщиной кратной /2 и состоящая из двух частей — сплошной пластины 13 и примыкающей к ней пластины 14, в центре которой выполнены продольный паз 15 55 для исследуемой жидкости и два паза

16 для эталонной жидкости, расположенные симметрично относительно продольного паза 15 и параллельно ему, при86 2 чем оси пазов 16 расположены на расстоянии

-Г5

d = — W (2 ОФ где W = -„-(т.(М-Ь))

Я 1(2

2 1с от оси продольного паза 15, а ось, проходящая через середину расстояния между краями двух соседних пазов, расположена от оси продольного паза 15 на расстоянии

Щели связи, прорезанные в плоском зеркале 4, расположены на взаимно ортогональных осях и ориентированы о под углом 90 одна к другой.

Устройство для измерения диэлектрических параметров жидкостей работает следующим образом.

Сигнал от СВЧ-генератора 1 через .первый и второй делители 2 и 3 мощности поступает по каналам а и b на вход открытого резонатора. Посредством двух идентичных волноведущих щелей связи, прорезанных в плоском зеркале 4, в объеме открытого резонатора возбуждаются моды ТЕМ и ТЕМ

02 с 20 обладающие двухосевой симметрией и. отличающиеся расположением пятен полей в поперечном сечении открытого резонатора. Каждая мода возбуждается с помощью соответствующих щелей связи, а вектора электрических полей этих мод поляризованы в соответствии с ориентацией волноведущих щелей связи. В таком открытом резонаторе с изотропным заполнением в поперечном сечении согласно дисперсионному уравнению эти моды вырождены по частоте

KL=iiq+(m+n+1)arccos(1-L/R), 2 п где К=— h

L — длина открытого резонатора; — рабочая длина волны; тп и и — поперечные вдоль осей х и у, о — продольный вдоль оси 2 индексы мод;

R — - радиус кривизны сферического зеркала 5, т„е, при фиксированной частоте дан- . ные моды возбуждаются в открытом резонаторе при одном и том же резонансном расстоянии между зеркалами. При возникновении анизотропии свойств среды, заполняющей открытый резонатор, вырождение мод ТЕМО и ТЕМ шоу

3 13305 снимается и эти моды присутствуют в спектре открытого резонатора раздельно. Таким образом при механическом или электрическом сканировании с по5 мощью узла 10 перемещения сферического зеркала 5 относительно плоского зеркала 4 в выбранном участке спектра открытого резонатора в последнем будут поочередно или одновременно воз-1О уждат ся моды ТЕМог и ТЕМго огс го отличающихся поляризациях. Вывод энергии из открытого резонатора осуществляется посредством отверстия связи в виде круглой диафрагмы диаметром

0,2 и толщиной 0,034 в центре сферического зеркала. 5. Разделитель 9 поляризации, расположенный на выходе открытого резонатора и обеспечивающий развязку между двумя выходными плеча- 20 ми 25-30 дБ, позволяет выделить возбуждаемые в открытом резонаторе моды на разных поляризациях. Оба сигнала, соответствующие резонансному коэффициенту передачи открытого резонатора

25 на модах ТЕМО и ТЕМ, подаются по

Огq го<, каналам е и f на входы измерителя 8 фазы. При этом на опорные входы измерителя 8 фазы по каналам с и и поступают когерентные сигналы с третьего делителя 7 мощности и фазового модулятора 6. В результате в измерителе 8 фазы сигналы смешиваются и информация об амплитуде и фазе перено35, сится на низкую промежуточную частоту, соответствующую частоте фазовой модуляции. После детектирования сигналы на выходе усилителей с точностью до постоянной можно записать в следующем виде:

U, (t) =Асов(ьср, +at)

Б (й)-Всоз(ыр +S?t) где А и  — амплитудные коэффициенты;

Ь р,и дц — разности фаз сигналов, поступающих на входы соответственно с, f и d, е, измерителя 8 фазы; и — частота фазовой модуляции.

В результате с выходов измерителя 8 фазы амплитудно-модулированные сигналы с частотой 51 подаются на регистратор 11 в виде двухлучевого осциллографа.

Таким образом, после заполнения продольного паза 15 и пазов 16 эталонной и исследуемой жидкостями и осуществления сканирования открытого ре86

4 зонатора на экране ЭЛТ будут наблюдаться две резонансные кривые, расстояния между максимумами которых и ширины на уровне половинной мощности имеют взаимооднозначное соответствие с искомыми величинами Я и tgR

ОБр а именно:

-1 2а Г Г2а

Я = + 13Я ?./h — — ехр (-(- — ) (1+

ОБ

2-Г2а 1

+ — -)

Wo щ S„=cg E„1-(3Pi (nL-û) /h °

12 а Г2а 2-Г2а — -ехр -(— -) х(1+ — — ) E „

При условии, когда af /Е„- Я,/

=0,1 и добротность открытого резона4 тора составляет величины Q-10 -10 обе резонансные кривые могут наблюдаться на экране ЭЛТ раздельно, однако в тех случаях, когда величины 6 5 становятся достаточно малыми, такими, что. две резонансные кривые уже не могут быть разрешены согласно известному критерию Релея, способы возбуждения открытого резонатора и регистрации, а также конструкция кюветы позволяют вести измерения и контроль диэлектрических параметров исследуемых жидкостей в области неразрешимых частотных сдвигов, т.е. приЬГ 0,1, не прерывая тот или иной технологический процесс. В этом случае сигналы с измерителя 8 фазы подаются одновременно на промьппленный фазовый детектор и на отклоняющие пластины Х и Y ЭЛТ, в результате на экране ЭЛТ будет наблюдаться фигура Лиссажу в виде эллипса поляризации, параметры которого однозначно связаны с измеряемыми параметрами жидкости соотношениями: ачба. 2Л.

/а Я/ =- — (- — +Q)

-h

У

j3 =>arctg ttg 2arctg>Jcos bg где L — - расстояние между зеркалами открытого резонатора в точке пересечения резонансных кривых;

h — толщина слоя исследуемой жидкости.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения диэлектрических параметров жидкостей, 5 1330586 ь содержащее СВЧ-генератор, открытый ля мощности, первый и второй выходы резонатор, образованный плоским и которого соединены с открытым резонасферическим зеркалами, на оси откры- тором посредством щелей связи, протого резонатора внутри него располо- реэанных в плоском зеркале под углом жена кювета, выполненная иэ диэлект- 5 одна другой и равноотстоящих от оси рика, толщиной, кратной Ъ /2, и сос- открытого резонатора, к второму выхотоящая из двух част двух частей — сплошной плас- ду первого делителя мощности подклю" . тины и примыкающей к ней пластины, чен вход фазового модулятора, выход в центре которой выполнен продольный которого соединен с входом третьего паз для подачи исследуемой жидкости, 10 делителя мощности, первый и второй узел перемещения е ения сферического зерка- выходы которого соединены с опорными ла, а также блок для измерения харак- входами измерителя фазы, при этом теристик резонатора и регистратор, кювета дополнительно снабжена двумя первый вход которого соединен с уэ- паэами для этаг.онной жидкости, располом перемещения сферического зеркала, 15 ложенными симметрично относительно а второй вход — с выходом блока для продольного паза и параллельно ему, измерения .характеристик резонатора, причем оси пазов для эталоннои жидотличающее я а ю щ е е с я тем что р р кости расположены на расстоянии с целью расширения функциональных . р 5

< 2 ОР возможностей путем обеспечения непре-20

1I2 рынного контроля отклонений Лиэлектрических параметров исследуемой жид- о 2 кости от заданного закона анного закона их измене- L — - расстояние между плоским и ния, введены первый, второй и третий сферическим зеркалами; делители мощности, фазовый модулятор, 25 R — - радиус кривизны сферического разделитель поляризации, а блок для измерения характеристик резонатора представляет собой измеритель фазы от оси,продольного паза, а ось, прос,двумя опорными и двумя сигнальными ходящая через середину расстояния входами, причем разделитель поляриза- 30 между краями двух соседних пазов,, . ции соединен .с открытым резонатором расположена от оси продольного паза посредством отверстия связи, выпол- на расстоянии венного в сферическом зеркале, первый 1 и второй выходы разделителя поляриза- а 2 o ции соединены с сигнальными входами 2. Устройство по п. 1, о т л и35 измерителя фазы, выход СВЧ-генерато- ч а ю щ е е с я тем, что щели связи, ра.соединен с входом первого дели- прорезанные в плоском зеркале, рас-. теля мощности, к первому выходу ко- положены на ортогональных осях и ориторого подключен вход второго делите- ентированы под углом 90 одна другой.

Га

ВНИИПИ Заказ 3579/48 Тираж 730 Подписное

Произв.-полигр. пр-тие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4