Устройство для определения температурной зависимости параметров диэлектриков

 

Изобретение относится к технике измерений на СВЧ и может использоваться для определения температурной зависимости параметров твердых диэлектриков в условиях высокотемпературного динамического нагрева концентрированной солнечной энергией. Целью изобретения является повышение точности измерения и упрощение конструкции устройства. Устройство для определения температурной зависимости параметров диэлектриков содержит измерительный СВЧ-тракт, выполненный в виде фокусирующей антенны, соединенной с выходом СВЧ-генератора, приемной антенны , соединенной с измерительным входом амплифазометра, опорный вход которого соединен с выходом опорного тракта, вход которого соединен с выходом СВЧ-генератора, и нагреватель исследуемого образца, выполненный в виде концентратора солнечной энергии, центральная часть которого выполнена в виде эллиптического отражателя, являющегося одновременно отражателем фокусирующей антенны, в первом фокусе которого размещен излучатель , а во втором - исследуемый образец, опорный тракт образован вспомогательными приемной и передающей антеннами, вход и выход которых является соответственно входом и выходом опорного тракта, ось концентратора солнечной энергии совмещена с осью эллиптического отражателя фокусирующей антенны, периферическая часть концентратора солнечной энергии выполнена в виде парабалоида, фокус которого совпадает с вторым фокусом эллиптического отражателя. 1 ил. XI О ГО ю о ю

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

1762202 А1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4832053/09 (22) 29.05.90 (46) 15.09,92. Бюл. ¹ 34 (71) Институт проблем материаловедения

АН УССР (72) Е.А,Фридрик, Н,А.Трефилов и В.В.Пасичный (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1160332, кл. G 01 R 27/26, 1985.

Воробьев Е.А. и др, СВЧ-диэлектрики s условиях высоких температур.- M.: Сов. радио, 1977, с. 133. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ ПАРАМЕТРОВ ДИЭЛЕКТРИКА (57) Изобретение относится к технике измерений на СВЧ и может использоваться для определения температурной зависимости параметров твердых диэлектриков в условиях высокотемпературного динамического нагрева концентрированной солнечной энергией. Целью изобретения является повышение точности измерения и упрощение конструкции устройства. Устройство для определения температурной зависимости параметров диэлектриков содержит

Изобретение относится к технике измерений на СВЧ и может использоваться для определения относительной диэлектрической проницаемости е, тангенса угла диэлектрических потерь т9 д твердых диэлектриков в широком диапазоне температур вплоть до температур разрушения последних. (st)s G 01 N 22/00, G 01 R 27/26 измерительный СВЧ-тракт, выполненный в виде фокусирующей антенны. соединенной с выходом СВЧ-генератора, приемной антенны, соединенной с измерительным входом амплифазометра, опорный вход которого соединен с выходом опорного тракта, вход которого соединен с выходом

СВЧ-генератора, и нагреватель исследуемого образца, выполненный в виде концентратора солнечной энергии, центральная часть которого выполнена в виде эллиптического отражателя, являющегося одновременно отражателем фокусирующей антенны, в первом фокусе которого размещен излучатель, а во втором — исследуемый образец. опорный тракт образован вспомогательными приемной и передающей антеннами, вход и выход которых является соответственно входом и выходом опорного тракта, ось концентратора солнечной энергии совмещена с осью эллиптического отражателя фокусирующей

l антенны, периферическая часть концентратора солнечной энергии выполнена в виде парабалоида, фокус которого совпадает с вторым фокусом эллиптического отражателя.

1 ил.

Известно устройство для измерения температурной зависимости параметров диэлектриков, содержащее измерительный резонатор и нагревательный элемент, причем измерительный резонатор представляет собой обьемный цилиндрический резонатор Н типа на торцевую стенку которого помещается образец диэлектрика, 1762202

30

45

55

Однако это устройство имеет недостаточный интервал температур исследования, . ограниченный температурой плавления сплава, из которого изготовлен измерительный резонатор. Кроме того, это устройство не позволяет реализовать измерения в условиях динамического нагрева, Известно устройство для измерения температурной зависимости параметров диэлектриков, содержащее нагревательный элемент, выполненный в виде концентратора солнечной энергии, и измерительный тракт, выполненный в виде проходного открытого резонатора, представляющего собой систему двух сферических зеркал с одинаковыми радиусами кривизны, но с разными диаметрами, причем зеркало с большим диаметром является одновременно концентратором солнечной энергии.

Однако это устройство, обладая достаточно высокой точностью и неограниченным температурным диапазоном, имеет недостаток присущий всем резонаторным методам, а именно необходимость статического режима нагрева (достижение равномерности нагрева по всему объему по истечении определенного времени) образца исследуемого диэлектрика, что приводит к необходимости длительной выдержки образца материала при высокой температуре.

Это зачастую, особенно в случае композиционных диэлектрических материалов, приводит к перерождению исходной структуры диэлектрика и получению информации, не соответствующей реальным условиям работы материала, Наиболее близким техническим решением к предложенному является устройство для измерения параметров диэлектриков при нагреве содержащее СВЧ-тракт, выполненный в виде антенны, соединенной с Входом амплифазометра, опорный вход которого соединен с выходом опорного тракта, нагреватель.

Однако это устройство обладает следующими недостатками.

Используемый источник нагрева — плазменная струя — существенно затрудняет осуществление непрерывных измерений в широком диапазоне частот в силу экранирующих свойств плазмы.

Химическое взаимодействие струи плазмотрона с исследуемым обьектом затрудняет измерение особо чистых материалов.

Плазмотрон является достаточно сложным техническим агрегатом, Цель изобретения — повышение точности измерений в условиях динамического нагрева при упрощении конструкции устройства.

Цель достигается тем, что в устройстве для измерения температурной зависимости параметров диэлектрика в условиях высокотемпературного динамического нагрева, содержащем измерительный СВЧ-тракт, выполненный в виде фокусирующей антенны, соединенной с выходом СВЧ-генератора, приемной антенны, соединенной с измерительным входом амплифазометра, опорный вход которого соединен с выходом опорного тракта, и нагреватель исследуемого образца, согласно изобретению нагреватель исследуемого образца выполнен в виде концентратора солнечной энергии, центральная часть которого выполнена в виде эллиптического отражателя, являющегося одновременно отражателем фокусирующей антенны, в первом фокусе которого размещен излучатель, а во втором образец. опорный тракт образован вспомогательными приемной и передающей антеннами, ось параболического концентратора совмещена с осью эллиптического отражателя СВЧ-тракта, периферическая часть. концентратора выполнена в виде параболоида, фокус которого совпадает с вторым фокусом эллиптического отражателя.

На чертеже приведена конструкция устройства для измерения температурной зависимости параметров диэлектрика.

Заявляемое устройство содержит нагревательный элемент, выполненный в виде концентратора 1 солнечной энергии с переменной кривизной поверхности, измерительный канал, выполненный в виде системы передающей фокусирующей антенны 2, образованной совокупностью облучающего рупора 3 и фокусирующей поверхности, являющейся центральной частью концентратора 1 солнечной энергии, и приемкой рупорной антенны 4, передающую рупорную антенну 5 и приемную рупорную антенну 6, образующих дополнительный участок свободного пространства, включенный параллельно участку свободного пространства измерительного канала, источник 7 СВЧ-сигнала, соединекный со входами аблучающего рупора 3 и передающей рупорной антенны 5, блок 8 преобразования частоты, соединенный с выходами приемной рупоркой антенны 4, приемной рупорной антенны 6 и со входом фазометра

9 низкой частоты, выход которого соединен со входом регистратора 10, ходовой винт 11 с двумя резьбами, на которых закреплены держатель 12 образца 13 и приемные рупорные антенны 4 и 6, фотоэлектрический пирометр 14. ряд термопар. заделанных на различной глубине от нагреваемой поверх17б2202

40

55 ности, последняя из которых расположена на теневой границе образца, Термопары ориентированы перпендикулярно вектору электрического поля и на чертеже не показаны.

Устройство для измерения температурной зависимости параметров диэлектриков в условиях высокотемпературного динамического нагрева работает следующим образом, Двухпрофильное зеркало 1, периферическая часть которого имеет параболический профиль, а центральная эллиптический, является одновременно концентратором солнечной энергии, используемой для нагрева образца 13 диэлектрика и элементом передающей антенны, фокусирующей электромагнитную волну, излучаемую рупором 3, раскрыв которого помещен в первом фокусе эллипса, Образец

13 размещен в точке на оси оптической системы, где совмещены фокус параболы и второй фокус эллипса. Поверхность концентратора солнечной энергии, имеющая параболический профиль, набрана из отдельных зеркальных фацет таким образом, что на нагреваемой поверхности образца формируется радиально однородный лучистый тепловой поток, под воздействием которого происходит непрерывное изменение распределения температуры по глубине образца Т (х) и, соответствующее этому изменению, изменение распределения диэлектрических параметров F. (х) и тд д(х), которое в свою очередь определяет в каждый момент времени значение комплексного коэффициента прохождения электромагнитной волны через образец исследуемого диэлектрика. Задачей методики измерений, реализуемой на заявляемом устройстве является определение температурной зависимости параметров диэлектриков я (Т) и tg д (Т) по измеренному температурному полю в образце Т(хд), т.е. профилю температур в любой момент времени, и массиву измеренных значений комплексного коэффициента прохох<дения

t = t (t). Реализация радиоизмерений осуществляется следующим образом.

Подвергаемый одностороннему высокотемпературному динамическому нагреву образец 13 включен в измерительный канал (элементы 2,3,4 — часть измерительного канала) мостовой схемы, опорный канал который содержит самостоятельный участок свободного пространства, образованный рупорными антеннами 5 и б, расположенный. параллельно участку свободного пространства измерительного канала, Кольцо мостовой схемы замыкается на балансном смесителе, расположенном в блоке 8 преобразования частоты, В измерительный канал мостовой схемы включен однополосный модулятор низкой частоты F, что ведет к появлению одной боковой частоты в несущей частоте f< сигнала измерительного канала, т.е. на выходе модулятора мы имеем сигнал с частотой 4+Е. Смешение сигналов измерительного и опорного каналов в балансном смесителе приводит к выделению сигнала низкой частоты F, на который линейно перенесены изменения амплитуды и фазы сигнала измерительного канала. Далее сигнал частоты F в блоке 8 разветвляется на два канала, в одном из которых происходит его преобразование в сигнал постоянного напряжения. уровень которого пропорционален амплитуде сигнала. измерительного канала. после чего сигнал постоянного напряжения подается для измерения и регистрации на регистратор

10, например, светолучевай осциллограф марки Н071-3, По второму каналу сигнал частоты F подается для автоматического измерения фазы на один из входов стандартного фазометра. 9 низкой частоты, например, марки Ф2-16. На второй вход фазометра в качестве опорного сигнала подается сигнал частоты F с кварцевого генератора, расположенного в блоке преобразования частоты и выполняющего роль генератора модулирующей частоты. С выхода фазометра сигнал постоянного напряжения, пропорциональной приращению фазы сигнала измерительного канала подается для измерения и регистрации на регистратор 10. Таким образом, регистратор 10 непрерывно регистрирует сигналы, несущие информацию об изменении амплитуды и фазы сигнала СВЧ измерительного канала, т.е. регистрирует изменение величины комплексного коэффициента прохождения

r электромагнитной волны, зондирующей образец 13, подвергаемый высокотемпературному одностороннему динамическому нагреву.

Температурное поле в образце рассчитывается по измеряемым в процессе нагрева значениям температуры в опорных точках образца, две из которых расположены на плоскостных границах, а остальные на различной глубине от нагреваемой поверхности. Температура нагреваемой поверхности измеряется,зесконтактным способом, например фотоэлектрическим пирометром

14, работающим в провале солнечного спектра, температура в остал ьн ы х точ ках — с помощью термопар.

17Г2202

Составитель Е. Фридрик

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор И, Шулла

Редактор

Заказ 3255 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

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

;)кспериментальные данные, полученны . в прсл!ессе эксплуатации заявляемого

"()!)ой(Гвз. BKëючак)гцие В себя непрерьн)

lI÷ т мперэтурные и радиотехнические (модуль и фаза коэффициента прохождения) 5 измерения, осуществляемые в динамике процесса нагрева, являются достаточными для организации алгоритма обработки этих данных, основанного на приемах теории идентификации систем с распределенными пара- 10 метрами, с целью определения темпе ратурной зависимости параметров диэлектриков в условиях высокотемпературного динамического нагрева при заданных темпах роста температуры нагреваемой поверхности образца мате- 15 риала исследуемого диэлектрика.

Положительным эффектом заявляемого устройства в сравнении с прототипом является увеличение точности измерений температурной зависимости параметров диэлектриков 20

E (Т ) и tg д (Т) связанное с новой возмо>кностью достаточно точного измерения модуля и фазы коэффициента прохождения, определяемой использованием автономного генератора, наличием фазовых измерений и предлагаемой 25 конструкцией антенной системы и концентратора солнечной энергии, Формула изобретения

Устройство для определения температурной зависимости параметров диэлектри- 30 ков, содержащее измерительный СВЧтракт, выполненный в виде фокусирующей антенны, соединенной с выходом СВЧ-генератора, приемной антенны, соединенной с измерительным входом амплифазометра, опорный вход которого соединен с выходом опорного тракта, вход которого соединен с выходом СВЧ-генератора, и нагреватель исследуемого образца, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений и упрощения конструкции устройства, йагреватель исследуемого образца выполнен в виде концентратора солнечной энергии, центральная часть которого выполнена в виде эллиптического отражателя, являющегося одновременно отражателем фокусирующей антенны, в первом фокусе которого размещен излучатель, а во втором — исследуемый образец, опорный тракт образован вспомогательными приемной и передающей антеннами, вход и выход которых является соответственно входом и выходом опорного тракта, ось концентратора солнечной энергии совмещена с осью эллиптического отражателя фокусирующей антенны, периферическая часть концентратора солнечной энергии выполнена в виде параболоида, фокус которого совпадает с вторым фокусом эллиптического отражателя.