Сверхвысокочастотный измеритель влажности сред

 

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для измерения влажности различных сред и профиля распределения влажности в них. Цель изобретения - повышение чувствительности и увеличение разрешающей способности при измерении влажности сыпучих и гранулированных сред, а также расширение функциональных возможностей путем определения минерализации сред и расширение динамического диапазона. Сверхвысокочастотный измеритель влажности сред содержит СВЧ генератор 1, направленSS

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„„SU„1631378

° (51)5 G 01 N 22/04

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСКОМЪГ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4450442/09 (22) 05. 07.88 (46) 28.02.9 1.Бюл. N 8 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им.А.Н.Костякова и Саратовский филиал Института радиотехники и электроники АН СССР (72) В.А.Елкин, В.А.Леонидов, В.Д.Шитов, Г.Т.Казаков и С.А.Хорев (53) 621 317 392533 275 (088 8) (56) Патент Франции Ф 2191073, кл. Н 03 В 7/14, 1974.

Кинг P., Смит Г. Антенны в материальных средах, ч.1 М.: Мир, 1984, с.198 (прототип).

2 (54) СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ

ВЛАЖНОСТИ СРЕД (57) Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для измерения влажности различных сред и профиля распределения влажности в них. Цель изобретения — повышение чувствительности и увеличение разрешающей способности при измерении влажности сыпучих и гранулированных сред, а также расширение функциональных возможностей путем определения минерализации сред и расширение динамического диапазона. Сверхвысокочастотный измеритель влажности сред содержит СВЧ генератор 1, направлен1631378 где Z о ц,иЕ,,— ные ответвители (НО) 2 и 6, измеритель 5 разности фаз, развязывающий элемент (РЭ) 3. зонд 4, детектор 7, регулируемый аттенюатор 8, буферный каскад 9, АЦП 11 и 12, контроллер 13;. микроЭВМ 14. Зонд 4 выполнен в виде разомкнутого на одном конце отрезка коаксиальной линии (КЛ), к центральному проводнику которой подсоединена 1р штыревая антенна. Подвижный полый бур надвигается на область штыревой .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения влажности различных сред, например почвогрунтов, 20 зерна, силоса и т.д., а также для измерения профиля распределения влаж-, с I

НОСТИ В НИХи

Цель изобретения — повьппение чувствительности и увеличение разрешаю- 25 щей способности при измерении влажности сыпучих и гранулированных сред, а также расширение функциональных возможностей путем определения минерализации сред и расширение динамического диапазона.

На фиг.1 приведена структурная электрическая схема сверхвысокочастотного измерителя влажности сред; на фиг.2 - конструкция зонда со штыревой антенной.

Сверхвысокочастотный измеритель влажности сред содержит СВЧ генератор 1, первый направленный ответвитель (НО) 2 первый развязывающий 40 элемент 3, например, в виде ферритового циркулятора, зонд 4> измеритель 5 разности фаз, второй направленный ответвитель (НО) 6 детектор

7, последовательно соединенные регу - 45 лируемый аттенюатор 8 и буферный каскад 9, образующие активный развязывающий узел 10, а также аналого-цифровые преобразователи 11 и 12, контроллер 13, микРоЭВМ 14. 50

Зонд 4 выполнен в виде разомкнутой на одном конце отрезка коаксиальной линии 15 и с разъемом 16 на другом. К центральному проводнику 17 линии 15 присоединена штыревая антенна 18 через узел 19 возбуждения в виде ступенчатого перехода, закрытая радиопрозрачной оболочкой 20, на поверхности которой находится подантенны. Вращением бура зонд .4 со штыревой антенной погружается в исследуемую среду на необходимую глубину. Амплитуда и фаза отраженной волны определяются комплексным сопротивлением штыревой антенны, связанным с диэлектрической проницаемостью cpe" ды и, соответственно, с ее влажностью.

Разность фаз падающей и отраженной т волн несет информацию о солености среды. 2 з.п.ф-лы, 2 ил. строечная трубчатая насадка 21 с фиксирующими винтами 22.Конец насадки 21 вставлен в отверстие в металлическом конусе 23 и фиксируется кольцом 24.

Между торцом насадки 21 и дном отверстия конуса 23 вставлен радиальноупорный подшипник 25 качения. На внешней поверхности конуса имеется ступенька 26, предназначенная для фиксации полого бура.

Устройство работает следующим образом.

Подвижный полый бур надвигается на область штыревой антенны 18. Далее, вращением бура, зонд 4 со штыревой антенной 18, узлом 19 возбуждения, диэлектрической насадкой 21, конусом

23 погружается в исследуемую среду на необходимую глубину.

Схема устройства соответствует случаю, когда отрезок линии, возбуж" даемой СВЧ 1 генератором, подключен к некоторому нагрузочному сопротивлению, в общем случае комплексному, которым является входной импеданс штыревой антенны 18. Поэтому амплитуда и фаза отраженной волны определяются комплексным входным сопротивлением штыревой антенны 18, связанным с диэлектрической проницаемостью области среды :, окружающей антенну

Рс/Ес + Юо К81

ЬХ О вЂ” — — — — ° (1)

, + -, tg)1 волновое сопротивление антенны в воздухе; абсолютные магнитная и диэлектрическая проницаемости среды; электрическая длина антенны.

1378 у = (6 ) D

d = — — ю

1,4...2,0

W - F(R, Ду).

5 163

Диэлектрическая проницаемость среды связана с ее влажностью. Коэффициент отражения определяется с помощью измерителя 5. На коэффициент отражения помимо действительной части (Я ) исследуемой среды существенное влияние оказывает и ее мнимая часть (f ), определяемая собственной проводимостью среды и ее компонентов. В большинстве случаев эта добавка не учитывается, так как составляет единицы процентов от действительной части. Однако уже на частотах дециметрового и метрового диапазбнов волн она становится значительной и для засоленных почв и грунтов составляет 20-30 .

Поэтому при измерениях влажности таких сред могут быть допущены существенные ошибки. При измерении. толь ко одной величины, определяемой свойствами исследуемого объекта, эту ошибку исключить нельзя, что приводит к неоднозначности измерений и резкому ухудшению точности результатов.

Этот факт дает принципиальную возможность измерить степень минера лизации почвогрунтов и исключить ее влияние на результат измерения влажности введением в устройство дополнительного канала, измеряющего вторую величину, зависящую от влажности и солености, но имеющую эту зависимость отличную от аналогичной зависимости для коэффициента отражения (КО). Такой величиной выбрана разность фаз между падающей и отраженной СВЧ волнами, для чего в СВЧ измеритель влажности введен измеритель 5 разности фаз. В этом случае имеют две зависимости, представляющие систему уравнений

R = Е, (Я, Я ) = й, (Я); где R — коэффициент отражения; у — разность фаз.

Комплексная диэлектрическая про— ницаемость почвы, в свою очередь, однозначно зависит от влажности Я =

= Е(W), Следовательно, влажность (W) функционально связана с измеряемыми величинами R и у

Следует отметить, что при работе и на частотах ниже 2 Гц значения с в основном определяются минералиэацией почвенной влаги ° Это дает возможность составить два типа градуировочных кривых — зависимостей от влажности и солености разности фаз и аналогичные зависимости для коэффициента отражения. Причем крутизна зависимостей R(W), R(S) и Щ (К), Щ(Б) будет существенно различной.

При этом влажность и соленость определяются в результате сравнения тангенсов угла наклона указанных характеристик по соответствующим номограммам, получаемым калибровкой.

Известные трудности представляет учет типа грунта, поскольку химичес20 кие и механические различия для различных почв и грунтов вносят известные погрешности в результат измерений.

В большинстве случаев требуется введение поправочного коэффициента на

25 тип грунта, что не всегда удобно и точно.

Предлагаемое устройство имеет комплект калибрующих насадок, соответствующих различным типам почвогрунтов при нулевых влажности и солености. Введением активной зоны зонда в насадку определяется нулевая точка отсчета, соответствующая абсолютно сухому веществу. Вторая точка отсчета, соответствующая максималь35 ному коэффициенту отражения, выставляется в положении, когда подвижная полая металлическая штанга полностью закрывает штыревую антенну. Этим ре40 шается вопрос калибровки влагомера.

Калибрующие насадки изготавливаются из смеси композиционных материалов— цемента, графита и окиси титана, сме" шивая которые в определенных соотно45 шениях можно имитировать любое значение комплексной почвы, сухой и увлажненной до полной влагоемкости, когда все поры почвы заняты водой.

Диаметр. штыревой антенны 18 определяется соотношением где d — диаметр штыревой антенны 1Я;

D — наружный диаметр радиопрозрачной оболочки 20.

Экспериментально обнаружено, что при таком соотношении диаметров антенны и фидера имеет место наиболее

1631378 оптимальное соотношение динамического диапазона изменения КО и диапазо- . на изменений влажности. Это возника" ет эа счет наиболее глубокого проникновения СВЧ поля в среду с одной стороны и лучшего согласования волно-. вых сопротивлений штыревой антенны и почвогрунта с другой. Знаменатель приведенного соотношения зависит и определяется диэлектрической проницаемостью разнопрозрачной оболочки 20 на антенну 18, которая может меняться от 2 до 50, что компенсирует ее влияние на чувствительность СВЧ влагомера. Длина штыревой антенны выбрана близкой к четвертьволновой и определяется из формулы о

44е

20 где 1 -- длина антенны, см; ф — рабочая длина волны СВЧ ге" нератора в свободном про- 25 странстве, см;

K — относительная диэлектрическая проницаемость радиопро-. зрачной оболочки 20.

При погружении зонда в среду на

его активную зону и прежде всего на радиопрозрачную оболочку 20 действуют сильные механические нагрузки, особенно нагрузки на кручение. Это может привести к выходу ее из строя.

Для предотвращения этого оболочка 20 вставлена в металлический конус 23, защищающий ее от нагрузок давления и полностью развязана от нагрузок вра-, щения. При ввинчивании.в среду все давление (вертикальное усилие) передается на конус 23, диаметр которого выбран таким, что грунт раздвигается в стороны. Это исключает давление на стенки коаксиальной линии 15.

При введении антенны в исследуемую среду при нулевой влажности имеет место минимальное рассогласование в волновых сопротивлениях антенны и среды. Этим обусловлены минимальные показания индикатора измерителя, так как незначительная часть мощности от— ражается только из-за этого рассогласования, а уровень мощности повьппает порог чувствительности измерителя.

Принцип работы измерителя влажности

55 предполагает максимальное рассогласование антенны с влажным грунтом и полное согласование ее с сухим, Волновое сопротивление коаксиальной линии 50 см, а волновое сопротивление грунта от 80 до 300 см — в зависимости от типа и влажности.

Поэтому входное сопротивление антенны 18 должно быть близким к 300 см, а в сухом грунте иметь возможность перестраиваться. Кроме того, оно должно быть согласовано с волновым сопротивлением коаксиальной линии 15, Переход от сопротивления

50 см к 300 Ом осуществляется ступенчатым переходом, среднее звено которого имеет волновое сопротивление, равное () =« ($, = )50 300 = 122,5 Ом °

Подстройка осуществляется перестраиваемым узлом возбуждения. Передвижениями трубчатой насадки 21 относительно антенны можно настраивать антенну 18 на разные типы почвогрунтов или других сред. При этом меняется длина согласующего перехода, а это приводит к изменению его трансформируюг их свойств и дает возможность согласовывать волновое сопротивление антенны 18 в сухом грунте с волновым сопротивлением коаксиальной линии 15. При этом компенсируется реактивная составляющая входного сопротивления антенны для различных сред, и антенна 18 настраивается на резонанс.

Антенна работает в т.п. режиме ближней зоны и измерения параметров антенны 18. Этот режим работы, когда антенна помещена непосредственно в исследуемую среду, гораздо более чувствителен и информативен, чем режим антенны вне среды, поскольку в этом случае антенна 18 значительно лучше откликается на изменения параметров исследуемого объекта. Однако без учета особенностей такого включения антенны 18 может произойти резкое падение чувствительности за счет превьппения диапазона изменения параметров среды динамического диапазона приемного тракта. Чтобы . этого не случилось,в измерительный тракт между основным каналом НО 6 и детекторной секцией 7 включен активный развязывающий узел 9, значительно повьппающий развязку между зондом и измерительным трактом, который в этом - случае работаеФ независимо от

1бЗ изменения реактивного сопротивления чувствительного элемента — зонда 4.

Формула изобретения

1. Оверхвысокочастотный измеритель влажности сред, содержащий СВЧ генератор, соединенный с первым плечом развязывающего элемента, к второму плечу которого подсоединен зонд, выполненный в виде разомкнутого на конце отрезка коаксиальной линии, и детектор, включенный меж(ду третьим плечом раэвяэывающего элемента и входом индикатора, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения чувствительности и увеличения разрешающей способности при измерении влажности сыпучих и гранулированных сред, введены штыревая антенна, размещенная в радиопроэрачной оболочке, один конец которой подсоединен к центральному проводнику отрезка коаксиальной линии через введенный узел возбуждения, и трубчатая насадка, установленная с возможностью перемещения на радиопрозрачной оболочке, при этом диаметр d штыревой антенны выбран из условия

Д (1,4...2,0) 1378 10 для значений диэлектрической проницаемости материала радиопроэрачной оболочки в пределах от 2 до 50, где

D — наружный диаметр радиопрозрачной оболочки и внутренний диаметр трубчатой насадки.

2. Измеритель по п. 1, о т л ич а ю шийся тем, что, .с целью расширения функциональных возможнос-. тей путем определения минерализации сред, СВЧ-генератор соединен с первым плечом развязывающего элемента через основное плечо введенного первого направленного ответвителя, а третье плечо циркулятора соединено с входом детектора через основное плечо введенного второго направленного ответвителя, при этом выходы вспомо20 гательных плеч введенных первого и второго направленных ответвителей подсоединены соответственно к входам введенного измерителя разности фаэ.

3. Измеритель по пп. 1 и 2, о т25 л и ч а ю шийся тем,=: что, с целью расширения динамического диапа-. зона, выход основного плеча второго направленного ответвителя соединен с входом детектора через введенный

gp активный развязывающий узел, выполненный в виде последовательно соединенных регулируемого аттенюатора и буферного каскада.

1631378

Фиг. 2

Составитель P. Кузнецова

Редактор И.Касарда Техред N.Дидык

Корректор И. Кучерявая

Заказ 539 Тираж 380 Подписное

ВНИИПИ Государственного комйтета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101