Устройство для измерения влажности диэлектриков

 

Использование: в технике СВЧ-влагометрии. Сущность изобретения: устройство для измерения влажности содержит опорный и измерительный резонаторы 1, 2, соединенные с СВЧ-генератором и детектором через отрезок прямоугольного волновода 3, в котором выполнены идентичные отверстия связи 5 - 8. Измерительный и опорный резонаторы 1, 2 закреплены соосно на противоположных стенках отрезка прямоугольного волновода 3. Измерительный резонатор 2 выполнен цилиндрическим и разделен щелью 17 на две части, щель образована зазором между торцевой стенкой 14 и корпусом измерительного резонатора 2, величина которого не превышает 1/8λ, с торцевой кромки 12 установлен диск 13. 5 ил.

Изобретение относится к технике СВЧ-влагометрии и может быть использовано для измерения влажности различных материалов (бумага, ткани, нитки, сахарный песок и т.п.) как в лабораторных, так и в производственных условиях при технологическом контроле влажности диэлектрических материалов.

Известно большое количество СВЧ-влагомеров, в которых используются как частотно-независимые, так и резонансные устройства. Совершенствование устройств направлено на повышение точности измерения влажности за счет уменьшения влияния таких неинформативных параметров, как плотность и толщина контролируемых материалов. Функция A(W) (ε_x'-1)/ε_x'', где ε_x' и ε_x'' относительная диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери контролируемого материала, определяется из теории малых возмущений и равна A(W) 2δf/Δd, где δf и Δd относительная расстройка и изменение затухания резонатора, обусловленные введением контролируемого материала, что позволяет исключить влияние плотности и толщины материала на результат измерения влажности. Функция A(W) не зависит от плотности контролируемого материала и в том случае, когда материал вносит в устройство сильное возмущение или иногда неприменимы формулы, полученные из теории малых возмущений.

Известно устройство для измерения влажности диэлектрических материалов, которое представляет цилиндрический измерительный резонатор, разделенный щелью на две части. Когда щель разделяет резонатор на две равные симметричные части, в нем возбуждаются два вырожденных колебания типа E₁₁₁ и H₀₁₁. При введении в полость резонатора контролируемого материала вырождение снимается. Контролируемый материал находится в максимуме электрического поля колебания типа Н₀₁₁ и сильно изменяет резонансную частоту этого колебания, при этом резонансная частота колебания E₁₁₁ изменяется незначительно. По результатам измерения разности между резонансными частотами колебаний Н₀₁₁ и Е₁₁₁ полого резонатора и резонатора, содержащего контролируемый материал, определяется величина влажности материала. Ширина щели влияет на изменение значений резонансных частот колебаний Н₀₁₁ и Е₁₁₁. Ввиду сильной связи контролируемого материала с резонатором указанные измерения могут быть осуществлены только для тонких листовых материалов, таких как бумага. Более толстые материалы очень сильно ухудшают добротность колебания H₀₁₁ и регистрация его становится невозможной.

Основными недостатками этого устройства являются отсутствие сведений о выборе оптимального положения контролируемого материала в щели и элементов, обеспечивающих фиксацию этого положения, а также выполнение опорного и измерительного резонаторов в виде отдельных устройств. Произвольное положение контролируемого материала в щели, кроме возможного излучения, ухудшающего добротность колебаний Н₀₁₁, не позволяет однозначно определить функцию A(W) и, следовательно, провести достоверное измерение влажности контролируемого материала. Конструктивное разделение измерительного и опорного резонаторов, нагруженных на отдельные детекторы, вызывает дополнительную погрешность при измерении величины затухания измерительного резонатора за счет различных температурных зависимостей выходных напряжений, снимаемых с детекторов. Кроме этого, дополнительный источник тепла, которым является СВЧ-генератор, по-разному влияет на резонансные частоты измерительного и опорного резонаторов, вызывая дополнительную погрешность при измерении отклонения резонансной частоты измерительного резонатора, обусловленного контролируемым материалом.

Целью изобретения является повышение точности измерения влажности диэлектрических материалов.

На фиг. 1 изображено устройство для измерения влажности диэлектрических материалов; на фиг. 2 эскиз модели измерительного резонатора; на фиг. 3 приведены зависимости В от значения относительной расстройки резонатора при расположении материала на торцевой поверхности резонатора; на фиг. 4 зависимости В от значения относительной расстройки резонатора при расположении материала на диэлектрическом диске; на фиг. 5 зависимость и экспериментальные значения A(W) от величины влажности хлопковых ниток при различных значениях заполнения нитками поперечного сечения резонатора.

Устройство для измерения влажности диэлектрических материалов содержит опорный резонатор 1, измерительный резонатор 2, отрезок прямоугольного волновода 3, разделенного металлической перемычкой 4, отверстия связи 5-8, фторопластовые диски 9, 10, цилиндрическая полость 11 измерительного резонатора 2, торцевая кромка 12 корпуса измерительного резонатора 2, диэлектрический диск 13, торцевая стенка 14 измерительного резонатора 2, поверхность 15 торцевой стенки 14, контролируемый материал 16, щель 17, образованная зазором между торцевой стенкой 14 и корпусом измерительного резонатора 2.

Устройство для измерения влажности диэлектрических материалов работает следующим образом.

Опорный и измерительный резонаторы 1, 2 закреплены соосно на противоположных стенках отрезка прямоугольного волновода 3 и соединены через него с СВЧ-генератором и детектором (на фиг. 1 не показаны). Связь опорного и измерительного резонаторов 1, 2 отрезком прямоугольного волновода осуществляется с помощью идентичных отверстий связи 5-8. Фторопластовые диски 9, 10 снимают выраженные колебания Н₀₁₁ и Е₁₁₁, существенно уменьшая резонансную частоту колебания Е₁₁₁.

Диэлектрический диск 13 выполнен из диэлектрического материала с малыми потерями, например фторопласта, плавленого кварца, полипора и т.п.

Величина зазора L фиксируется и поддерживается постоянной. Максимальная величина L не должна превышать одной восьмой резонансной длины волны в свободном пространстве, так как при больших значениях наблюдается излучение из щели 17 при возможном отклонении положения контролируемого материала от горизонтального. Указанный эффект возрастает с увеличением диэлектрической проницаемости контролируемого материала. Детектирование одним детектором сигналов опорного и измерительного резонаторов устраняет погрешность за счет различных температурных зависимостей выходных напряжений, снимаемых с детекторов, имеющихся в прототипе. Симметричное расположение опорного и измерительного резонаторов относительно теплового источника СВЧ-генератора приводит к одинаковому изменению их линейных размеров, а следовательно, и их резонансных частот. При этом значительно уменьшается погрешность измерения отклонения, обусловленного контролируемым материалом, резонансной частоты измерительного резонатора. Контролируемый материал 16, имеющий толщину t_x, может занимать в щели 17 произвольное положение. Для определения влияния положения контролируемого материала в щели на точность определения величины A(W) рассмотрим два крайних положения, из которых одно, обозначенное пунктиром, соответствует расположению контролируемого материала 16 на торцевой поверхности 15, а другое, обозначенное сплошной линией, соответствует расположению контролируемого материала 16 на диэлектрическом диске 13. При размещении значительного количества контролируемого материала в зоне неоднородного электрического поля резонатора, как это имеет место в случаях, показанных на фиг. 1, теория малых возмущений несправедлива, а функция A(W) должна быть записано в виде A(W) B(δf;;t_x) (1) где В (δf; ε_x'; t_x) функция, зависящая от указанных параметров; δf относительная расстройка резонатора; Δd изменение затухания резонатора. Функция A(W) ( ε'_x-1)/ε_x'' не зависит от плотности контролируемого материала и при сильных возмущениях, вносимых контролируемым материалом в резонатор. Однако влияние толщины контролируемого материала на значение функции A(W) при этом остается неопределенным и должно определяться для каждого конкретного устройства.

Для полуоткрытых цилиндрических резонаторов, в которых возбуждается колебание Н₀₁, характеристики последних достаточно точно могут быть описаны соответствующими формулами для замкнутых резонаторов. Поэтому расчет характеристик измерительного резонатора, содержащего контролируемый материал, с целью последующего определения функциональной зависимости В от входящих в нее параметров проводился в соответствии с его моделью, приведенной на фиг. 2. При последовательном резонансе равенство нулю вещественной части полного комплексного сопротивления в сечении aa с учетом влияния отверстий связи позволяет определить резонансную частоту измерительного резонатора, а мнимой части (при ε_x''/ε_x'≅0,2) значение коэффициента N, связывающего величину вносимого материалом в резонатор затухания Δd с величиной диэлектрических потерь ε_x'' контролируемого материала Δd N ε_x''. (2) Значение функции В определяется по формуле (1) B (3) где f_o и f_x значения резонансных частот резонатора без материала и с материалом.

На фиг. 3 и 4 приведены результаты расчета зависимостей функции В от величины относительной расстройки резонатора δf (f_o f_x)/f_x при различных значениях относительной диэлектрической проницаемости ε'_x контролируемого материала и его толщины t_x для двух крайних положений материала в щели. При расчете принималось, что диэлектрический диск 13 (см. фиг. 1) выполнен из плавленого кварца и имеет толщину d₂ 1,0 мм, в расстояние L 3,0 мм. Крестиками отмечены экспериментальные значения В, рассчитанные по результатам измерения изменений параметров измерительного резонатора при помещении в него тонких дисков, выполненных из материала, имеющего ε_x' 2,6; ε_x'' 1,5·10^-2. Анализ приведенных графиков показывает сильную зависимость функции В от толщины контролируемого материала t_x при его расположении на торцевой поверхности резонатора (см. фиг. 3) и слабую зависимость функции В при расположении контролируемого материала на диэлектрическом диске (см. фиг. 4). Так, при изменении толщины контролируемого материала с 2,0 до 2,5 мм относительная погрешность определения величины В будет для случая, представленного зависимостями на фиг. 3, δВ 100·(В₂ В₁)/В₁ 9,0% а для случая, представленного зависимостями на фиг. 4, δВ 100·(В₃ В₄)/В₃ 0,4% При произвольном положении контролируемого материала в щели относительная погрешность определения величины В для указанного изменения толщины материала находится в пределах от 0,4 до 9,0% Следовательно, введение диэлектрического диска 13 и расположение на нем контролируемого материала позволяют по измеренному значению δf однозначно определить значение величины В и в соответствии с выражением (1) вычислить величину A(W). При этом влияние толщины контролируемого материала на точность определения величины В будет минимальным. Изменение толщины диэлектрического диска, значения его относительной диэлектрической проницаемости или величины L не изменяют характера приведенных на фиг. 4 зависимостей В F(δf), а изменяют лишь угол наклона α, величина которого уменьшается при увеличении толщины диска, его относительной диэлектрической проницаемости или величины L.

На фиг. 5 приведена зависимость величины A(W) от значения влажности W хлопковых ниток. Там же показаны значения A(W) при различных величинах заполнения нитками поперечного сечения цилиндрической полости резонатора. Точками отмечены значения, соответствующие коэффициенту заполнения, равному 0,2, крестиками 0,4 и кружками 0,6. Как видно из фиг. 5, величина A(W), а следовательно, и значение влажности хлопковых ниток не зависит от величины коэффициента заполнения нитками поперечного сечения резонатора.

Ниже приведены измеренные с помощью предлагаемого устройства значения A(W), соответствующие равновесной влажности различных материалов при температуре 21^оС и относительной влажности 50% Материал Значение A(W) Бумага газетная 5,8 Ткань х/б 6,1 Хлопковые нитки 8,0 Шерстяная ткань 13,0 Шерстяная ткань с синтетическими волокнами 20,0 Стеклоткань 59,0 Сахарный песок (белый) 265,0

Формула изобретения

Устройство для измерения влажности диэлектриков, содержащее СВЧ-генератор, соединенный с опорным и измерительным резонаторами, при этом измерительный резонатор выполнен цилиндрическим и разделен щелью на две части, и детектор, отличающееся тем, что опорный и измерительный резонаторы соединены с СВЧ-генератором и детектором через отрезок прямоугольного волновода, в котором выполнены идентичные отверстия связи, причем измерительный и опорный резонаторы закреплены соосно на противоположных стенках отрезка прямоугольного волновода, щель образована зазором между торцевой стенкой и корпусом измерительного резонатора, величина которого не превышает 1/8 длины волны в свободном пространстве, а в измерительном резонаторе заподлицо с торцевой кромкой установлен диэлектрический диск.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5