Способ зондовой свч-влагометрии

 

Изобретение относится к технике влагометрии на СВЧ и может быть использовано для измерения влажности локальных участков диэлектрических сред, а также для определения профиля или плана распределения влажности, в частности, тепличных субстратов, почвогрунтов, сыпучих минеральных удобрений, зернопродуктов и т.п. Задачей данного изобретения является обеспечение возможности измерения влажности локальных участков диэлектрических сред, а также повышение точности измерения и упрощения эксплуатации. Это достигается тем, что способ зондовой СВЧ-влагометрии заключается во внедрении в исследуемую среду первичного преобразователя влажности в параметры СВЧ-поля, предварительно откалиброванного в сухой среде, и взаимодействии первичного измерительного преобразователя с исследуемым участком диэлектрической среды посредством локального электромагнитного СВЧ-поля высокодобротного диэлектрического резонатора, являющегося чувствительным элементом первичного измерительного преобразователя, определении значений резонансной частоты f_i и добротности Q_i первичного измерительного преобразователя и определении влажности участка исследуемой среды из соотношения: , где W_i - значение определяемой влажности; k - калибровочный коэффициент; f_o - калибровочное значение резонансной частоты первичного измерительного преобразователя, взаимодействующего с сухой средой; f_i - величина резонансной частоты первичного измерительного преобразователя, взаимодействующего с исследуемой средой; Q_o - калибровочное значение добротности первичного измерительного преобразователя, взаимодействующего с сухой средой; Q_i - значение добротности первичного измерительного преобразователя, взаимодействующего с исследуемой средой. Благодаря этому определение влажности производится в окрестности поля диэлектрического резонатора, достигается высокая чувствительность к небольшим изменениям диэлектрических свойств исследуемой среды, повышается точность измерения, а также упрощается процесс калибровки влагомера при изменении типов измеряемых сред. 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к технике влагометрии на СВЧ и может быть использовано для измерения влажности локальных участков диэлектрических сред, в частности субстратов в теплицах, почвогрунтов, сыпучих минральных удобрений, зернопродуктов.

Известен способ измерения влажности сыпучих веществ в потоке [1] заключающийся в определении резонансной частоты f_i первичного измерительного преобразователя и критического коэффициента связи b_kp первичного измерительного преобразователя, взаимодействующего с исследуемой средой и определении влажности W_i из соотношения: ,
где b_kp критический коэффициент связи первичного измерительного преобразователя с исследуемой средой;
f_i резонансная частота первичного измерительного преобразователя, взаимодействующего с исследуемой средой;
f_n резонансная частота первичного измерительного преобразователя, не взаимодействующего со средой;
Q_n добротность первичного измерительного преобразователя, не взаимодействующего со средой;
k эмпирический коэффициент.

Данный способ, предполагающий определение критического коэффициента связи, рассчитан на использование в качестве первичного измерительного преобразователя объемного резонатора с распределенными параметрами, который не обеспечивает возможности исследования локальных участков среды и не пригоден для зондовой влагометрии. При этом определении критического коэффициента связи b_kp, являющегося производной величиной от добротности Q первичного измерительного преобразователя, вносит дополнительную систематическую погрешность в результат измерения из-за дискретности управления элементов связи. К тому же изменение влажности исследуемой среды приводит к изменению длины волны в резонаторе и смещению ее экстремумов относительно элементов связи, что понижает чувствительность первичного измерительного преобразователя.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому изобретению является способ, выбранный в качестве прототипа [2]
Известный способ зондовой СВЧ-влагометрии заключается в внедрении в исследуемую среду первичного измерительного преобразователя влажности в параметры СВЧ-поля, предварительно откалиброванного в сухой среде, и определении СВЧ-параметров первичного измерительного преобразователя, по значению которых судят о влажности среды.

СВЧ-параметры первичного измерительного преобразователя зависят от диэлектрических свойств исследуемой среды, которые в свою очередь зависят от влажности. В известном способе зондовой СВЧ-влагометрии в качестве измеряемых параметров используется коэффициент отражения и разность фаз падающей и отраженной волн.

Принцип работы влагомера предполагает полное согласование антенны, являющейся первичным измерительным преобразователем, в сухой среде и рассогласование ее во влажной среде.

Недостатками данного способа являются:
отсутствие определенного направления в диаграмме направленности первичного измерительного преобразователя, выполненного в виде четвертьволновой антенны, не обеспечивает возможность измерения влажности в окрестности точки среды или поверхности среды, что ограничивает его применение для измерения влажности локальных участков среды;
низкая добротность четвертьволновой антенны не может обеспечить высокую чувствительность к небольшим изменениям диэлектрических свойств исследуемой среды, что понижает точность измерений.

необходимость механической подстройки антенны на резонанс для каждого типа измеряемой среды, что усложняет эксплуатацию и понижает точность измерения.

Задачей данного изобретения является обеспечение возможности измерения локальных участков диэлектрических сред, а также повышение точности измерения и упрощение эксплуатации.

Поставленная задача решается тем, что в способе зондовой СВЧ-влагометрии, заключающемся во внедрении в исследуемую среду первичного измерительного преобразователя влажности в параметры СВЧ-поля, предварительно откалиброванного в сухой среде, и определении СВЧ-параметров первичного измерительного преобразователя, по которым судят о влажности среды, согласно изобретению, в качестве чувствительного элемента первичного измерительного преобразователя влажности в параметры СВЧ-поля используют высокодобротный диэлектрический резонатор с квазисосредоточенными параметрами, определяют резонансную частоту f_i и добротность Q_i первичного измерительного преобразователя, при этом влажность W_i исследуемого участка среды определяют из соотношения:

где W_i значение определяемой влажности;
k калибровочный коэффициент;
f_o калибровочное значение резонансной частоты первичного измерительного преобразователя, взаимодействующего с сухой средой;
f_i величина резонансной частоты первичного измерительного преобразователя, взаимодействующего с исследуемой средой;
Q_o калибровочное значение добротности первичного измерительного преобразователя, взаимодействующего с сухой средой;
Q_i значение добротности первичного измерительного преобразователя, взаимодействующего с исследуемой средой.

Способ зондовой СВЧ-влагометрии осуществляют следующим образом.

Предварительно определяют калибровочные значения резонансной частоты f_o и добротности Q_o первичного измерительного преобразователя и величину коэффициента k для конкретной среды. Для этого внедряют первичный измерительный преобразователь в сухую среду и определяют его f_o и Q_o. Затем внедряют первичный измерительный преобразователь в среду, влажность W_i которой известна и находится посередине диапазона измеряемой влажности, определяют f_i, Q_i и определяют коэффициент K из соотношения:

которое получено из соотношения (2). Полученные значения f_o, Q_o и k являются калибровочными для данного типа среды. Причем значение коэффициента k необходимо определять для каждого диапазона измеряемой влажности данного типа среды.

После этого внедряют первичный измерительный преобразователь в исследуемую диэлектрическую среду, находят величину резонансной частоты f_i и добротности Q_i первичного измерительного преобразователя, и определяют влажность из соотношения (2).

Благодаря тому, что первичный измерительный преобразователь взаимодействует с диэлектрической средой посредством концентрированного электромагнитного поля высокодобротного диэлектрического резонатора с квазисосредоточенными параметрами, определение влажности в окрестности поля диэлектрического резонатора. Такая локализация зондовой СВЧ-влагометрии позволяет с высокой степенью верности определять характер распределения влажности как по поверхности среды (в плане), так и по объему (в профиле) путем внедрения зонда в исследуемый участок среды.

Благодаря высокой напряженности поля резонатора и сильному взаимодействию поля с исследуемой средой достигается высокая чувствительность к небольшим изменениям диэлектрических свойств исследуемой среды. Это повышает точность измерений.

Также благодаря тому, что не требуется механической настройки первичного измерительного преобразователя при изменении типов измеряемых сред, а достаточно корректировки калибровочных значений резонансной частоты f_o, добротности Q_o и коэффициента k, упрощаются измерения и повышается их точность.

Пример конкретной реализации способа.

Дисковый диэлектрический резонатор с собственной частотой f 10 ГГц и добротностью Q 3120, изготовленный из высокодобротной керамики типа ТБСН с диэлектрической проницаемостью ε 81 и тангенсом угла диэлектрических потерь tg d 2·10^-4, имеющий диаметр диска 3 мм, помещен в экранирующий корпус, изготовленный из латуни с внутренними размерами 4ммx9ммx12мм, имеющий радиопрозрачное окно диаметром 5мм, выполненное по центру одной из граней корпуса. Диэлектрический резонатор находится в центре корпуса между размещенными в нем двумя линиями связи: входной линией, соединенной с генератором качающейся частоты, и выходной линией, соединенной с входом индикатора КСВН и ослабления, обеспечивая этим возбуждение его TE_O1δ типом колебаний и диаграмму направленности, характерную для полюса диполя, имеющую высокую напряженность электромагнитного поля, локализованного в окрестности радиопрозрачного окна.

Диэлектрический резонатор и линии связи, размещенные в экранирующем корпусе с радиопрозрачным окном, составляют первичный измерительный преобразователь.

Измерения влажности проводили следующим образом.

Для измерения влажности использовали минеральную вату типа "Вилан". Для калибровки первичного измерительного преобразователя влажности образец минеральной ваты высушили с СВЧ-печи до постоянной массы (m 500 г). После этого внедряли первичный измерительный преобразователь в образец и определяли f_o и Q_o. При этом f_o 10001.875 МГц и Q_o 247. После этого погружали образец минеральной ваты в воду до полного насыщения (длительность увлажнения составляла 20 ч). Таким образом образец подготовлен для исследования различных влажностей. Добавляя в образец или удаляя из образца воду, можно быстро изменять его влажность в диапазоне от 30 до 90% При этом влажность образца можно контролировать гравиметрическим методом.

Способ иллюстрируется чертежом 2.

Далее внедряли первичный измерительный преобразователь в исследуемую среду или совмещали радиопрозрачное окно с поверхностью среды. Затем определяли амплитудо-частотную характеристику первичного измерительного преобразователя, по которой судили о значениях резонансной частоты f_i и добротности Q_i. Добротность Q определяли из соотношения
,
где Q значение определяемой добротности;
f резонансная частота первичного измерительного преобразователя;
Δ f ширина резонансной кривой на половинном уровне амплитуды А сигнала.

Калибровочный коэффициент k вычисляли из соотношения (3), определяя значения резонансной частоты f_i и добротности Q_i первичного измерительного преобразователя, взаимодействующего со средой, влажность которой предварительно определяли гравиметрическим методом. При этом величина калибровочного коэффициента k в диапазоне измеряемой влажности от 60 до 85% изменялась не значительно, что подтверждается проведенными исследованиями с минеральной ватой, используемой в качестве субстрата в гидропонных теплицах, представленным в таблице. Для измерений принимали k 17,8.

При общей влажности образца минераловатной плиты более 80% через час после увлажнения прослеживается неравномерность распределения более 20% влажности по высоте. Как показали измерения зондовым способом СВЧ-влагометрии при высоте минераловатной плиты 100мм и общей влажности образца 85% влажность минеральной ваты по высоте плиты распределена по экспоненциальному закону от 90% влажности внизу до 60% влажность вверху образца.

Аналогичным образом откалибровав первичный измерительный преобразователь, проводят измерения влажности других диэлектрических сред. Например, для цеолита f_o 10002,18, Q_o 198 и k 23,1 в диапазоне влажностей от 20 до 50%

Формула изобретения

Способ зондовой СВЧ-влагометрии, включающий внедрение в исследуемую среду первичного измерительного преобразователя влажности в параметры СВЧ-поля, предварительно откалиброванного в сухой среде, и определение СВЧ-параметров первичного измерительного преобразователя, по которым судят о влажности среды, отличающийся тем, что в качестве чувствительного элемента первичного измерительного преобразователя влажности в параметры СВЧ-поля исследуют высокодобротный резонатор с квазисосредоточенными параметрами, определяют резонансную частоту f_i и добротность Q_i первичного измерительного преобразователя, при этом влажность W_i исследуемого участка среды определяют из соотношения

где W_i значение определяемой влажности;
k калибровочный коэффициент;
f_o калибровочное значение резонансной частоты первичного измерительного преобразователя, взаимодействующего с сухой средой;
f_i величина резонансной частоты первичного измерительного преобразователя, взаимодействующего с исследуемой средой;
Q_o калибровочное значение добротности первичного измерительного преобразователя, взаимодействующего с сухой средой;
Q_i значение добротности первичного измерительного преобразователя, взаимодействующего с исследуемой средой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2