Датчик для измерения физических параметров среды

 

Использование: датчики для контроля физических параметров твердой, жидкой и газообразной среды с высокой степенью точности. Сущность изобретения: датчик содержит генератор, измеритель фазы сигнала и два отрезка линий передачи, выполненных на диэлектрике с проводниками из плоских слоев металла, которые с одного конца отрезка соединены синфазно с генератором, а с другого конца соединены с измерителем фазы сигнала. Диэлектрик выполнен в виде параллелепипеда, на противоположных гранях которого расположены широкие проводники, изогнутые углом в сечении на противоположных ребрах и разделенные вблизи одного ребра узкой щелью, а в области противоположного ему ребра - узким проводником, изогнутым углом в сечении. Вариант датчика содержит диэлектрик, выполненный в виде цилиндра с продольным внутренним отверстием, на внешней стороне которого параллельно расположены два широких и один узкий плоские проводники. 2 с. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к радиофизике и может использоваться в измерительных комплексах, а именно для измерения физических параметров среды.

Известны устройства для измерения диэлектрической проницаемости и потерь твердых и жидких материалов, реализованных на основе полосковых резонаторов (Гвоздев В. И. и Нефедов Е.И. Объемные интегральные схемы СВЧ. М. Наука, 1985, с. 220-224).

Недостатком этих устройств является низкая добротность резонатора, что значительно снижает интервал измеряемых физических параметров, при этом точность измерений зависит от внешних температурных воздействий.

Наиболее близким к изобретению является датчик для измерения физических параметров среды (Чернушенко А.М. и Майбородин А.В. Измерение параметров электронных приборов дециметрового и сантиметрового диапазона волн. М. Радио и связь, 1986, с. 153-156), содержащий генератор, измеритель фазы сигнала и два отрезка линий передачи, выполненных на диэлектрике с проводниками в виде плоских слоев металла, которые с одного конца отрезка соединены синфазно с генератором, а с другого с измерителем фазы сигнала. В основе измерения используется фазовый метод.

Недостатком этого датчика является зависимость точности измерения от внешних воздействий (температуры, влажности и т.п.), что связано с разнесением в пространстве отрезков линий передачи (измерительная линия и линия с опорным сигналом).

Задача изобретения увеличение точности измерения физических параметров открытой и замкнутой сред, находящихся в твердом, жидком или газообразном состояниях.

Для этого в датчике для измерения физических параметров среды, содержащем генератор, измеритель фазы сигнала и два отрезка линий передачи, выполненных на диэлектрике с проводниками из плоских слоев металла, которые с одного конца отрезка соединены синфазно с генератором, а с другого с измерителем фазы сигнала, диэлектрик имеет форму плоскопараллельной пластины, на одной стороне которой расположен узкий проводник, а на другой два широких проводника, разделенных узкой щелью симметрично под узким проводником.

Задача изобретения может быть решена также в случае, если диэлектрик выполнен в виде параллелепипеда, на противоположных гранях которого расположены широкие проводники, изогнутые углом в сечении на противоположных ребрах и разделенные вблизи одного ребра узкой щелью, а в области противоположного ему ребра узким проводником, изогнутым углом в сечении.

Задача изобретения может быть решена и в случае, если диэлектрик выполнен в виде цилиндра с продольным внутренним отверстием, на внешней стороне которого параллельно расположены два широких и один узкий проводники.

Существенным отличием датчика для измерения физических параметров среды является объединение двух независимых линий передачи в двухмодовую линию передачи с четным и нечетным типами независимо распространяющихся волн. Это позволяет при измерениях исключить влияние внешних воздействий на точность измерения.

На фиг. 1 изображен датчик для измерения жидкой и газообразной открытой среды; на фиг.2 датчик для измерения жидкой и газообразной замкнутой среды.

Датчик для измерения физических параметров жидкой и газообразной открытой среды содержит диэлектрик 1 в виде параллелепипеда 2, на противоположных гранях 3-6 которого расположены широкие проводники 7 и 8, изогнутые углом и разделенные вблизи одного ребра узкой щелью 9, а в области противоположного ему ребра узким проводником 10.

Датчик для измерения физических параметров жидкой и газообразной замкнутой среды содержит диэлектрик 1, выполненный в виде цилиндра 11 с продольным внутренним отверстием 12 на внешней стороне цилиндра 11 расположены два широких 7 и 8 и один узкий проводник 10.

Датчик для измерения физических параметров среды работает следующим образом.

Сигналы с генератора синфазно подаются на узкий и широкий проводники, возбуждая в них четный и нечетный типы волн. Поскольку векторы поляризации этих волн (Т- и Н-волны) расположены ортогонально, то они будут распространяться в линии передачи независимо с разными фазовыми скоростями. При внесении на поверхность плоскопараллельной пластины твердого магнитодиэлектрического материала фазовая скорость одного из видов колебаний изменится. В этом случае на выходах узкого и широкого проводников возникнет сдвиг фазы между четным и нечетным видами колебаний, который фиксируется измерителем фазы сигнала. Затем по измеренному значению сдвига фазы рассчитываются основные физические параметры: потери, диэлектрическая либо магнитная проницаемости.

Выполнение датчика в форме параллелепипеда, на противоположных гранях которого расположены широкие проводники, изогнутые углом в сечении на противоположных ребрах и разделенные вблизи одного ребра узкой щелью, а в области противоположного ему ребра узким проводником, изогнутым углом в сечении, позволяет измерять физические параметры путем введения в жидкую либо газообразную среды (фиг.1). При этом фиксируется сдвиг фазы сигнала, возникающего на выходе узкого и широкого проводников. Для измерения физических параметров замкнутой среды достаточно подключить в замкнутую систему внутреннее отверстие датчика, выполненного в виде цилиндра с продольным внутренним отверстием, на внешней стороне которого параллельно расположены два широких и один узкий проводники (фиг.2). Измерение проводится аналогичным образом.

Геометрические размеры узкого и широкого проводников, а также щели определяются из условия равенства волновых сопротивлений четных и нечетных типов колебаний и условий согласования с внешними цепями. Например, для сигналов с 50-Омными внешними трактами узкий проводник равен толщине диэлектрика, широкие проводники 1/8 длины волны в линии. Узкая щель при этом намного меньше ширины узкого проводника.

Преимуществом предлагаемых датчиков для измерения физических параметров среды является их экспресс-контроль и исключение влияния внешних воздействий на точность измерения, что значительно повышает чувствительность датчиков.

Формула изобретения

1. ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СРЕДЫ, содержащий два отрезка линии передачи, которые с одного конца соединены синфазно с генератором, а с другого - с измерителем фазы сигнала, отличающийся тем, что два отрезка линии передачи образованы тремя плоскими проводниками, расположенными на общем диэлектрическом основании в виде параллелепипеда, каждый проводник изогнут углом по своей продольной оси и расположен на двух смежных боковых гранях параллелепипеда, при этом ширина первого и второго проводников, расположенных вдоль диаметрально противолежащих боковых ребер, больше ширины третьего проводника, а боковые кромки проводников параллельны.

2. Датчик для измерения физических параметров среды, содержащий два отрезкка линии передачи, которые с одного конца соединены синфазно с генератором, а с другого - с измерителем фазы сигнала, отличающийся тем, что два отрезка линии передачи образованы тремя плоскими проводниками, расположенными на общем диэлектрическом основании, которое выполнено в виде цилиндра с продольнм внутренним отверстием, каждый проводник изогнут в поперечном сечении по радиусу, равному внешнему радиусу цилиндра, и расположен вдоль образующей цилиндра, при этом ширина первого и второго проводников больше ширины третьего проводника, а боковые кромки всех проводников параллельны.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2