Способ и измерительное устройство для измерения in situ электромагнитных свойств различных обрабатываемых материалов с использованием характеристики частоты отсечки и анализа

 

Способ для измерения in situ электромагнитных свойств различных обрабатываемых материалов с использованием характеристики частоты отсечки и анализа предусматривает следующие стадии: пропускание обрабатываемого материала через чувствительную к частоте измерительную ячейку; воздействие на обрабатываемый материал электромагнитной энергии, генерируемой многочастотным источником, управление многочастотным источником таким образом, чтобы изменять частоту сигнала с целью получения выходного сигнала, имеющего отличительную амплитудно-частотную характеристику; детектирование выходного сигнала и преобразование сигнала в цифровое представление; анализ цифрового представления сигнала для определения частоты отсечки; определение четкости характеристики отсечки посредством математических алгоритмов; определение параметров исследуемого материала из измеренной частоты отсечки и четкости характеристики отсечки; вычисление и визуализация требуемого свойства материала, например диэлектрической проницаемости и проводимости материала, содержания влаги в материале, с использованием загруженных в ЗУ данных калибровки или уравнения, определение плотности материала с использованием затухания полосы пропускания. Устройство для реализации способа включает источник генерирования управляемой электромагнитной энергии, имеющий стабильные выбираемые частоты, камеру для измерения материала, функционально связанную с указанным источником, выполненную таким образом, чтобы устанавливать условие отсечки в рабочих пределах указанного источника, детектор, функционально соединенный с соединительным выходом камеры, процессор для анализа частотной характеристики частоты отсечки. Измерительная камера может быть выполнена полой и прямоугольной в виде волновода, в котором размещены диэлектрический и электропроводный обрабатываемый материал. Для соединения могут быть использованы щелевые, микрополосковые линии. 2 с. и 30 з.п. ф-лы, 30 ил.

Настоящая заявка является частично продолжающей заявкой по отношению к заявке США, регистрационный N 871339, поданной 21 апреля 1992 г.

Настоящее изобретение относится к измерению in situ электромагнитных свойств, т.е. комплексной диэлектрической проницаемости или магнитной проницаемости, широкого диапазона обрабатываемых материалов или в более общем смысле к измерению любого параметра материала, который может быть получен измерением электромагнитных свойств материала. Особый интерес представляет измерение количества влаги в материале. Более конкретно настоящее изобретение относится к микроволновому устройству и способу проведения таких измерений.

Хорошо известно использование микроволнового устройства для измерения диэлектрического свойства материалов, которое соответствует содержанию влаги или воды в материале. Например, в патентах США на имя Scot и Yang, 4996490 и 4862062 описываются микроволновое устройство и способ для измерения текучих смесей. В устройстве и способе Scot и Yang используют коаксиальную микроволновую линию передачи, генератор свободных колебаний с управляемым напряжением и приемник сигнала для контроля изменения частоты, вызванного затягиванием импеданса генератора в результате изменения диэлектрической проницаемости смеси.

De и др. в патенте США 4902961 описывают микроволновую систему контроля содержания воды в нефтепроводе. В устройстве и способе у De и др. используются S-полосовая антенна и X-полосовая антенна для определения комплексной диэлектрической проницаемости текучей среды в трубопроводе. Общее содержание воды в трубопроводе может быть определено путем использования S-полосовой основной связи, которая передает волну через характерную часть всего трубопровода. Аналогичным образом Swanson в патенте США 4812739 описывает устройство и способ для использования микроволнового излучения для измерения содержания воды в текучей среде. Объемная фракция воды в текучей среде измеряется путем использования первого и второго микроволновых пучков с разными частотами. Пучки передаются через жидкость и их соответствующие потери при поглощении вычисляются. Объемная фракция воды определяется в соответствии с потерями при поглощении.

Также известны некоторые другие способы и устройства измерения влаги. Например, Knochel в патенте США 4546311 описывает устройства для измерения содержания влаги. Knochel в своем патенте использует микроволны, генерируемые передающим устройством, состоящим из источника сигнала и антенны. Нагруженное влагой вещество подвергается воздействию поля излучения. Оценивающее устройство присоединено для приема фазового перехода передаваемого сигнала. Фазовый переход представляет собой содержание влаги в веществе. Read в патенте США 3500182 описывает способ и устройство для измерения влаги в высоко вязких пастах и аналогичных материалах. Read в своем патенте измеряет влагу путем пропускания высокочастотных электромагнитных сигналов через вязкий материал. Вязкий материал удерживается в камере, имеющей пару противостоящих граничных пластин, расположенных по кромке в направлении движения материала для образования единой направляющей траектории для сигналов. Сигналы оцениваются до и после пересечения материала, чтобы определить содержание влаги в материале.

Bleackley в патенте США 3612996 описывает измерение пропорций составляющих текущего вещества, используя микроволновую энергию. Описанные способ и устройства имеют основную секцию волновода, ответвленную секцию волновода и окно. Три компонента образуют конфигурацию волновода, которая представляет собой резонансную микроволновую структуру. Влага в материале определяется посредством резонансной частоты структуры. Walker в патенте США 3818333 также описывает микроволновое окно и антенну для измерения влаги флюидизированного материала. Описанные микроволновые окна расположены параллельно друг другу и перпендикулярно оси используемого микроволнового пучка. Антенны выполнены в форме диэлектрических стержней.

Ho et al. в патенте США 4423623 описывают измерительный прибор и способ для измерения состава и скорости потока угольной суспензии и других аналогичных смесей. Сигналы обрабатывают для определения характеристической частоты волновода или длины волны проходящей микроволны, которые связаны с составом смеси в волноводе. В то время, как Ho et al. упоминают о характеристике отсечки волновода, их трактовка в отношении отсечки неуместна. Ho et al. пишут о дистанционных пробниках вдоль длины трубы на одинаковом расстоянии, кратном длине волны. Из описания ясно, что пробники дистанционно разнесены на одинаковое расстояние, кратное длине волны по длине трубы, которое они не используют в районе отсечки. В районе отсечки длина волны является бесконечной и прохождения не происходит. Техническое решение Ho в отношении расстояния между пробниками фактически является следствием изучения стоячих волн, существующих в трубе в районе полосы пропускания, и не связано с явлением отсечки. Далее, интерпретация Ho в отношении использования функции производной при определении характеристики частоты отсечки является некорректной. Максимум функции производной дает точное определение отсечки, а величина максимума производной обратно пропорционально связана с проводимостью обрабатываемого материала. Ho et al., с другой стороны, указывают, что один или два минимума функции производной должны использоваться. Первый минимум находится достаточно ниже частоты отсечки и представляет малую величину при измерении. Второй минимум находится выше частоты отсечки и подвержен влиянию типичных ошибок других способов измерения полосы пропускания. Использование минимальных значений не дает точного измерения частоты отсечки и также не дает дополнительного преимущества при измерении проводимости.

Andersen и др. в патенте США 5124653 описывают способ и устройство для анализа газообразных соединений, особенно для определения концентрации газа в газообразной смеси посредством микроволновой спектроскопии. Микроволновые импульсы используются для возбуждения ротационных переходов молекул в газовом соединении. Способ Andersen'a основывается на частотных характеристиках молекул индивидуальных компонентов смеси.

Jakkula в патенте США 4755743 описывает способ и устройство для измерения содержания влаги или сухого содержания или высоких, или низких потерь материала с содержанием влаги свыше 50%, используя диэлектрический волновод в контакте с измеряемым материалом. Измерение амплитуды производится по сигналу полосы пропускания, который отражается по крайней мере десять раз.

В силу широкого присутствия и использования воды в промышленных процессах производства измерение содержания воды или содержащегося в ней компонента (например, процент твердого вещества в суспензии, на основе воды) является самой большой потребностью пользователя в аналитической области или области измерения состава. Почти все сырьевые материалы и готовые изделия содержат воду, и измерение содержания влаги является важным.

При промышленной обработке вода часто используется как транспортер продукта в основных стадиях обработки и позже удаляется на заключительных стадиях производства. Измерение воды является важным для управления стадиями смешивания, механического обезвоживания и теплового обезвоживания. Управление смешиванием оказывает большое влияние на качество продукта и использование исходного сырья. Управление обезвоживанием также сильно влияет на энергетические затраты и оптимизацию обработки. Когда конечный продукт находится еще в форме суспензии, обезвоживание может также сильно влиять на транспортные расходы.

Чрезвычайно большая экономия возможна во многих промышленных процессах в результате только 1- или 2-процентного усовершенствования в управлении влагой. Затраты на проведение измерения влаги не являются значительными, если требуемое усовершенствование может быть осуществлено.

Несмотря на большую потребность пользователей в измерении влажности в большинстве промышленных производственных процессов эта проблема не нашла удовлетворительного технического решения. Как результат, большую часть времени измерение либо не производится, либо производится вручную операторами, которые отбирают пробные образцы для лаборатории, где последние взвешиваются до и после сушки для определения содержания воды. В результате такие задержки измерения по времени препятствуют оптимизации управления и вызывают снижение производительности.

Имеется много различных типов датчиков для измерения предполагаемого процента влаги или процента твердого вещества. Примеры датчиков - измерительные приборы ядерной плотности, жесткой плотности, емкости, микроволн, инфракрасного излучения, проводимости, преломления света и консистенции систем взвешивания тягового усилия и транспортера. Большинство датчиков детектируют только одну переменную и иногда температуру продукции. Как результат, они хорошо работают только на бинарных смесях. Дополнительная проблема состоит в том, что большинство датчиков имеют другие переменные, как проводимость, давление, неоднородное смешивание, турбулентность и т.д., что вызывает значительные ошибки в измерении. Также многие смеси не обеспечивают большого контраста между водой и другим материалом, например, с близкими по значению удельным весом или коэффициентом преломления. Таким образом, разрешающая способность ограничена, и небольшие изменения в ошибочных переменных вызывают большие изменения в показаниях влаги, когда используют датчики.

Изложенные выше факторы значительно затрудняют пользователю свести воедино обычную многодатчиковую систему вместо применений со многими переменными, если специалисты по измерительным приборам не наняты и не обеспечены достаточными средствами. Принимая во внимание большой экономический эффект, некоторые крупные компании независимо друг от друга приняли проекты по разработке микроволновых систем измерения фракций нефть/вода. Так, например, крупный фабрикант мыла завершил проект по обеспечению инфракрасного измерения влаги в мыльном порошке. И так как наилучшая комбинация датчиков зависит от бесчисленного множества различных условий применения, продавцы измерительных устройств принимают только конструкцию многодатчиковых систем, обеспечивающих очень большой объем потенциальных продаж при надежно повторяющемся процессе, таком как оптимизация бумагоделательной машины. Как результат, на рынке все еще существует большой неудовлетворенный спрос на систему измерения влаги, которая может обеспечивать удовлетворительную долгосрочную повторяемость и разрешающую способность, чтобы дать возможность перейти от ручного автономного анализа к автоматическому операционному управлению.

Таким образом, существует потребность в создании особого устройства и способа измерения любого параметра материала путем измерения электромагнитных свойств данного материала.

Признается необходимость в создании усовершенствованного способа и устройства для измерения влаги. Поэтому отличительная особенность настоящего изобретения состоит в создании электромагнитного детектирующего устройства и способа для измерения большего количества электромагнитных переменных для более сложных смесей с меньшим воздействием других потенциальных источников ошибок.

Отличительный признак настоящего изобретения состоит в создании электромагнитного измерительного устройства и способа, которые могут использоваться с жидкостью, суспензией или твердотельной смесью, текущей по трубопроводу.

Другой отличительный признак настоящего изобретения состоит в создании электромагнитного измерительного устройства и способа для непрерывного управляемого измерения.

Еще один отличительный признак настоящего изобретения состоит в создании электромагнитного устройства измерения влаги и способа, который имеет улучшенное время реагирования, особенно в отношении автономного измерения.

Другой отличительный признак настоящего изобретения состоит в создании электромагнитного измерительного устройства и способа, который используется без контакта с исследуемым материалом и без проникновения в него.

Другой отличительный признак настоящего изобретения состоит в создании электромагнитного измерительного устройства и способа для измерения влаги, который имеет низкое падение давления, связанное с измерением.

Другой отличительный признак настоящего изобретения состоит в создании электромагнитного измерительного устройства и способа для измерения влаги, который производит опрос сквозь все поперечное сечения продукта для измерения всего продукта.

Еще один отличительный признак настоящего изобретения состоит в создании электромагнитного измерительного устройства и способа для измерения влаги, который является непрерывным и управляемым.

Другой отличительный признак настоящего изобретения состоит в создании электромагнитного измерительного устройства и способа для измерения влаги, который обеспечивает высокую чувствительность и избирательность.

Другой отличительный признак настоящего изобретения состоит в создании устройства и способа для измерения процентного содержания твердых веществ, который является эффективным при измерении захваченных или растворенных в жидкости твердых веществ.

Другой отличительный признак настоящего изобретения состоит в создании устройства и способа для управления процессами смешивания, например, смеси бензина с метанолом, или для введения специфических количеств простого эфира в бензин для увеличения октанового числа.

Другой отличительный признак настоящего изобретения состоит в создании способа и устройства для измерения проводимости с использованием микроволн.

Другой отличительный признак настоящего изобретения состоит в создании способа и устройства для измерения характерных композиционных рисунков различных соединений, которые помогают определять смеси углеводородов.

Другой отличительный признак настоящего изобретения состоит в создании способа и устройства для измерения качества пара, т.е. определение количества жидкости в паре.

Другой отличительный признак настоящего изобретения состоит в создании способа и устройства для измерения влаги в порошках, как, например, применение пневматической транспортировки, зерно, пластиковые таблетки, пульверизированний уголь и тому подобное.

Другой отличительный признак настоящего изобретения состоит в создании способа и устройства для измерения тепловой величины, связанной с некоторыми углеводородами, как метан, бутан и тому подобное.

Другой отличительный признак настоящего изобретения состоит в создании способа и устройства для оценки полярных молекулярных газов, означающей меру концентрации различных материалов, например газа аммиака.

Другой отличительный признак настоящего изобретения состоит в создании способа и устройства для измерения количества магнитного материала на поверхности, например на записывающей ленте.

Другой отличительный признак настоящего изобретения состоит в создании способа и устройства для определения состояния отверждения синтетических смол.

Другой отличительный признак настоящего изобретения состоит в создании способа и устройства для измерения количества водяного пара в газовой атмосфере, что обеспечивает измерение влажности, точки росы и температуры смоченного термометра.

Другой отличительный признак настоящего изобретения состоит в создании устройства и способа определения состояния конденсации газа.

Еще один отличительный признак настоящего изобретения состоит в создании способа и устройства для оценки измерения поверхностного раздела различных веществ, например, в трубопроводе.

Другой отличительный признак настоящего изобретения состоит в создании способа и устройства для измерения толщины листового материала, например, бумажной продукции, пластиков, волокон, тканей и тому подобное.

Дополнительные отличительные признаки и преимущества изобретения будут частично изложены ниже в собственно описании изобретения и частично станут очевидны из этого описания или могут быть поняты при выполнении изобретения. Отличительные признаки и преимущества изобретения могут быть реализованы посредством комбинаций и стадий, приведенных в прилагаемой формуле изобретения.

Для обеспечения вышеназванных отличительных признаков и преимуществ и в соответствии с изложенными целями изобретения предложены способ и измерительное устройство для измерения in situ электромагнитных свойств текучих материалов, которые обладают высокой чувствительностью, избирательностью и применимостью.

Усовершенствованное измерительное устройство для измерения любого параметра материала, который может быть определен на основе знания электромагнитных свойств материала, содержит управляемый источник электромагнитной энергии, имеющий стабильную избирательную частоту, камеру для измерения материала, имеющую хорошо определенную характеристику частоты отсечки для приема материала и для ограничения электромагнитной энергии от источника; детектор для приема энергии, подверженный воздействию электромагнитных свойств материала в сочетании с характеристикой частоты отсечки измерительной камеры; и процессор для управления измерительными функциями, установкой операционных параметров и хронирования, вычисления необходимых математических характеристик зависимой от частоты энергии, визуализации результатов и для сопряжения с другими приборами и устройствами процесса.

В другом варианте выполнения предусматривается способ по настоящему изобретению для измерения параметра материала путем измерения электромагнитных свойств исследуемого материала, включающий стадии: (а) пропускание материала через измерительную камеру, чувствительную к частоте; (б) воздействие на материал электромагнитной энергии; (в) изменение частоты электромагнитной энергии по множеству величин для получения выхода с отличительной формой частоты; (г) анализ выхода для определения частоты отсечки; (д) оценка характеристики отсечки; (е) определение искомого параметра.

Измерительное устройство по настоящему изобретению содержит управляемый источник электромагнитной энергии, имеющий стабильную избирательную частоту. Управляемый источник электромагнитной энергии соединен с камерой для измерения материала для образования электромагнитного поля внутри измерительной камеры, чем вызывается взаимодействие поля с материалом, содержащимся и камере.

Вышеупомянутое соединение электромагнитной энергии с указанной измерительной камерой может быть выполнено с помощью любой известной соединительной структуры. Так как настоящее изобретение функционирует в зоне частоты отсечки, соединительные структуры должны иметь рабочие характеристики исключительно широкого диапазона пропускания (т.е. коэффициент 9). Это верно, так как частота отсечки согласно данному изобретению изменяется по широкому диапазону полосы пропускания, когда материал, заполняющий камеру (т.е. структура волновода) изменяется. К сожалению, обычные традиционные соединительные структуры, такие как пробники, петли, апертуры, диаграммы и антенны, хотя подходят для использования в настоящем изобретении, все показывают рабочие характеристики ограниченной ширины полосы пропускания. Фактически, такие соединительные структуры обычно функционируют на частотах значительно выше предела отсечки волновода, и поэтому эти традиционные соединительные средства создают ограничения в отношении общей характеристики изобретения.

В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения настоящего изобретения проблемы и недостатки, связанные с традиционными соединительными средствами, как пробники и петли, устраняются путем использования традиционного коаксиального кабеля с соединителем микрополосковой линии, сопряженного с усовершенствованным антенным устройством, которое функционирует в относительно широком диапазоне полосы пропускания частот. Это антенное устройство содержит модифицированную микрополосковую схему, которая, в свою очередь, соединяется с одной или несколькими щелевыми линиями.

Щелевые линии прижаты к диэлектрическому окну или рабочему уплотнению, так что поля, установленные в щелевых линиях, соединяют энергию через диэлектрическое окно в волноводе. Распределение поля в щелевой линии устанавливает электрическое поле, ориентация которого в волноводе поперечна по отношению к требуемому направлению или распространению, или, если частота ниже частоты отсечки волновода, поперечна по отношению к требуемому направлению прямого соединения. Микрополосковая схема именуется в данном описании как "модифицированная" из-за наличия диэлектрического материала (как политетрафторэтилен, полипропилен или ULTEM) и металлической накрывающей пластины (стальной или алюминиевой), которая накрывает схему. Металлическая задняя пластина защищает схему от повреждения и обеспечивает достаточную прочность для соединительной структуры, чтобы выдерживать нагрузку высокого давления внутри волновода. Назначение диэлектрика - маскировка присутствия металлической пластины и предотвращение пластины от помех электрической эффективности волновода.

Многочисленные щелевые линии используются для получения исключительно широкополосной рабочей характеристики. Щелевые линии параллельны друг другу и разнесены друг от друга в соответствии с частотой. Одна микрополосковая линия проходит перпендикулярно к щелевым линиям и пересекает щелевые линии в их центре. Каждая щелевая линия составляет примерно по длине одну половину длины волны при выбранной частоте или при возможности основана на размере диэлектрического окна и отстоит примерно на одну четверть длины волны в своей расчетной частоте от открытого конца микрополосковой линии. Щелевые линии попеременно оканчиваются на обоих концах либо в коротком круге, либо в разомкнутой схеме для образования стоячей волны в каждой щелевой линии. Чередующиеся короткие и разомкнутые окончания принуждают фазу стоячих волн изменяться от одной щелевой линии к другой. Периодически изменяющаяся фаза снимет нежелательное соединение между смежными линиями в большинстве тем же самым образам как в логопериодической антенной решетке, чередующиеся элементы которой питаются вне фазы. Логопериодический интервал между щелевыми линиями по расстоянию и поэтому по частоте также предпочтителен, но не обязателен для обеспечения отличительных признаков изобретения. Другие схемы для выбора набора частот в требуемой операционной полосе могут использоваться, в некоторых случаях могут быть необходимыми.

Измерительная камера (или волновод) по конфигурации выполнена так, чтобы иметь хорошо определенную частотную характеристику, такую как характеристику отсечки структуры волновода или микроволнового фильтра или другой структуры с зависимой частотой. Частотная характеристика структуры подвергается воздействию электромагнитных свойств материала, заполняющего измерительную камеру, который подвергается воздействию в участке камеры, ' чувствительном к частоте. Энергия, прореагировавшая с материалом в камере и подвергшаяся воздействию измерительной камеры с характеристикой зависимой частоты, соединяется с принимающей схемой посредством датчиков, петель, антенн, апертур или других средств (таких, как предпочитаемый коаксиальный кабель для модифицированной микрополосы для соединения с щелевой линией и с устройством волновода, описанный выше) для образования выхода. Выход усиливается, детектируется и обрабатывается стандартным средством, чтобы выдать сигнал, который содержит информацию о частотной характеристике в значениях амплитуды, фазы, групповой скорости, фазовой скорости или характеристики поляризации электромагнитного поля. Стандартная электронная схема управления и обработки цифрового и аналогового сигнала может быть предусмотрена для управления функциями измерения, установленными операционными параметрами и хронированием, необходимым вычислением математических особенностей зависимого от частоты сигнала, визуализации результатов и сопряжения с другими приборами и устройствами процесса измерения.

Зависимая от частоты камера, выбрана с целью образования удобного средства для создания измерительного пространства, которое может содержать исследуемый материал и иметь минимальный эффект на промышленный процесс. Зависимая от частоты измерительная камера возбуждается электромагнитной энергией таким образом, что информация об обрабатываемом материале кодируется в форме параметра соответственно выбранного выходного сигнала.

В простом варианте выполнения полая прямоугольная измерительная камера дает возможность материалу течь через камеру, которая работает как прямоугольная секция трубы или трубопровода с точки зрения промышленного производственного процесса. Микроволновый сигнал передается поперек прямоугольной камеры с поляризацией, выбранной так, что получается характеристика хорошо образованной отсечки. Путем наблюдения за частотой, при которой происходит отсечка, и путем наблюдения за четкостью этой характеристики отсечки можно определить диэлектрические и электропроводные свойства материала, заполняющего камеру.

Как признано специалистами в этой области техники, но в противоположность настоящему изобретению, типичные способы и средства используют только частоты в зоне пропускания частот. Способы и средства, выходящие за рамки объема настоящего изобретения, используют только частоты в зоне полосы пропускания, так как частоты полосы пропускания распространяются. Распространяющиеся волны следуют вверх и вниз по трубе, а также поперек измерительной камеры. Как следствие, помехи от других устройств или структур во взаимодействующем трубопроводе могут разрушать энергию внутри измерительной камеры, вызывая большие ошибки.

Волноводы, заполненные высоко электропроводными материалами, не показывают характеристики частоты отсечки. Хотя аттенюация очень большая, она не связана с явлением отсечки. Для достижения того же типа измерения в отношении высоко электропроводных материалов, как и возможного снижения потери материала, требуются модификации измерительной камеры. Вариант реализации, предпочтительный для высоко электропроводных материалов, является вариацией полой прямоугольной камеры. Как показано на фиг.17 (а)-(в) и 18 (а)-(в), помещение диэлектрического материала, который проходит полностью поперек измерительной камеры, обеспечивает траекторию низких потерь поперек камеры. Диэлектрический материал может быть помещен в центре камеры или вдоль одной стенки камеры таким образом, что диэлектрический материал полностью проходит поперек траектории сигнала. Высоко электропроводный обрабатываемый материал тогда может течь через камеру, так что частота отсечки волновода, содержащего верхнюю и нижнюю стенки измерительной камеры, диэлектрический вкладыш, частично заполняющий камеру, и электропроводный обрабатываемый материал, заполняющий остальную часть камеры, будет зависеть от электромагнитной характеристики обрабатываемого материала. Высоко электропроводный материал может заполнить остающееся открытое пространство в камере, так что его присутствие влияет на частотную характеристику камеры.

Более подробно, способ по настоящему изобретению включает следующие стадии измерения параметра материала путем измерения электромагнитных свойств исследуемого материала: (а) воздействие на материал для прохождения через измерительную ячейку, имеющую отличительную характеристику частоты отсечки, (б) облучение материала электромагнитной энергией, генерируемой многочастотным источником, (в) управление многочастотным источником, чтобы изменять частоту сигнала для получения выхода в зоне частоты отсечки измерительной ячейки, (г) преобразование выходного сигнала в цифровое представление, (д) проведение анализа цифрового представления сигнала для определения частоты отсечки, (е) определение четкости характеристики отсечки, и (ж) определение из измеренной частоты отсечки и четкости характеристики отсечки диэлектрической проницаемости и электропроводности материала.

Следует отметить, что во многих случаях форма функции преобразования частоты содержит достаточную информацию, из которой могут быть определены диэлектрические и электропроводные свойства без явной необходимости измерений абсолютной амплитуды или фазы, производимых в отношении какой-либо ссылочной величины. Для иллюстрации рассмотрим амплитуду по отношению к характеристике частоты идеального волновода с параллельными пластинами, который заполнен диэлектрической проницаемостью без потерь.

r . Структура волновода может возбуждаться в так называемом режиме TE10, имеющем частоту отсечки fc. В зоне отсечки, т.е. для частот ниже fc выходной сигнал может быть записан как A(f) = A0exp(-1) (1) , где A(f) - амплитуда по отношению к частоте выходной волны. A0 - амплитуда входного сигнала, l - длина траектории измерения, и представляет собой , где - расстояние между пластинами волновода.

Применяя натуральный логарифм к обеим сторонам уравнения (1) и оценивая результат при двух разных частотах f1 и f2, получают: Измерения амплитуды A(f1) и A(f2) при известных частотах f1 и f2, выбранных значительно ниже fc, дают возможность оценить неизвестную амплитуду A0, и уравнения легко решаются в отношении fc. После того, как fc вычислена, неизвестная диэлектрическая проницаемость r может быть определена из хорошо известного уравнения; ,
где
c - скорость света.

Другой путь определения fc состоит в использовании производной логарифмической функции следующим образом:
.

Необходимо отметить, что производная приближается к бесконечности в данном идеализированном примере без потерь материала, когда приближается к fc. Путем наблюдения формы производной lnA(f) и определения частоты, при которой она достигает своей максимальной величины, можно достаточно точно определить величину fc. Следует отметить, что, хотя производная логарифма величины сигнала является желаемым математическим преобразованием при идентификации частоты отсечки fc, есть много других таких преобразований, которые могут также использоваться при аналогичных требуемых свойствах, очевидных для специалистов в этой области техники, и входят в идею и объем настоящего изобретения.

Фактически на практике измеряемый материал никогда в действительности не является материалом без потерь, и поэтому требуются некоторые модификации в уравнениях с (1) по (6). Однако расположение вдоль оси частот пиковой величины производной логарифма величины по отношению к частотной функции также желательно для определения величины частоты отсечки и, следовательно, диэлектрической проницаемости r . Резкость или четкость этого пика обеспечивает надежное измерение характеристики потерь материала, на основании чего может быть определена электропроводность.

Возможны другие параметры сигнала для определения величины fc. Эти параметры также имеют свойство, что и форма параметра сигнала для определения fc. В зоне отсечки фазовый сдвиг энергии, проходящей поперек измерительной камеры с исследуемым образцом, равен нулю. Таким образом, простое измерение относительной фазы может быть произведено для определения, когда наклон кривой фазы по отношению к частоте достигает ненулевой величины. Это явление происходит на частоте отсечки fc. Аналогичное простое измерение может быть произведено для проведения определения, когда фазовая скорость становится бесконечной или когда групповая скорость сигнала снижается до нуля. Если в измерительную камеру вводят две поляризации, где первая поляризация имеет вектор электрического поля, параллельный верхней и нижней пластинам камеры, тем самым показывая характеристику отсечки, тогда как вторая поляризация имеет вектор электрического поля, перпендикулярный верхней и нижней пластинам камеры, которая этого не делает, то простое измерение поляризации выходной энергии может использоваться для определения частоты отсечки.

Измерение электромагнитных свойств материала может быть выполнено без необходимости в измерениях абсолютной амплитуды или фазы. Таким образом, после измерения электромагнитных свойств материала с использованием только информации о форме абсолютные измерения амплитуды или фазы энергии, проходящей через исследуемый образец, будут обеспечивать дополнительную размерность для анализа характеристик исследуемого материала. Например, хорошо известно, что аттенюация абсолютной амплитуды усугубляется плотностью материалов, а также комплексной электрической проницаемостью и магнитной проницаемостью составляющих материалов. Если электромагнитные свойства могут быть измерены с помощью только одной информации о форме, тогда абсолютные измерения могут использоваться для определения плотности материала.

Прилагаемые чертежи, которые включены в описание и составляют его часть, иллюстрируют предпочтительный вариант выполнения изобретения и вместе с общей частью описания изобретения, приведенной выше, и подробным описанием предпочтительного варианта выполнения, приведенного ниже, служат для пояснения принципов изобретения.

Фиг. 1 (а)-(е) иллюстрируют явление отсечки в волноводе с параллельными пластинами в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.2 - график зависимости логарифма величины сигнала от частоты для небольшой величины электропроводности и нескольких величин диэлектрической проницаемости в соответствии с теорией.

Фиг. 3 - график зависимости логарифма величины сигнала от частоты по настоящему изобретению при измерении воды в моторном масле в 30 весовых единиц.

Фиг.4 - график зависимости логарифма величины сигнала от частоты для фиксированной величины диэлектрической проницаемости r и нескольких величин электропроводности , в соответствии с теорией.

Фиг. 5 - график зависимости логарифма величины сигнала от частоты по настоящему изобретению при измерении концентрации соли в дистиллированной воде.

Фиг. 6 - график производной логарифма величины сигнала по отношению к частоте в условиях по фиг.2, показывающий, что расположение в частоте пиковой величины производной обеспечивает меру частоты отсечки в соответствии с теорией и настоящим изобретением.

Фиг.7 - график производной логарифма величины сигнала по отношению к частоте в условиях по фиг.4, показывающий, что величина производной обратно пропорциональна величине электропроводности материала, тогда как местоположение пика в частоте продолжает обеспечивать определение частоты отсечки и, следовательно, измерение диэлектрической проницаемости в соответствии с теорией и настоящим изобретением.

Фиг. 8 - блок-схема одного варианта выполнения устройства по настоящему изобретению.

Фиг. 9 - изометрическая проекция одного варианта выполнения чувствительной к частоте измерительной ячейки во взаимодействии с устройством по настоящему изобретению.

Фиг. 10 - изометрическая проекция в разобранном виде одного варианта выполнения чувствительной к частоте измерительной ячейки во взаимодействии с устройством по настоящему изобретению по фиг.9.

Фиг. 11 - вертикальное изображение изометрической проекции варианта выполнения чувствительной к частоте измерительной ячейки по настоящему изобретению по фиг.9.

Фиг. 12 - вид в плане сверху изометрической проекции варианта выполнения чувствительной к частоте измерительной ячейки по настоящему изобретению по фиг.9.

Фиг. 13 - вид сбоку изометрической проекции варианта выполнения чувствительной к частоте измерительной ячейки по настоящему изобретению по фиг.9.

Фиг. 14 - блок-схема одного варианта выполнения способа по настоящему изобретению.

Фиг. 15 - изображение в разобранном виде одного варианта выполнения настоящего изобретения, показывающее один пример рамочных антенн, используемых для соединения микроволновой энергии в направлении в и из чувствительной к частоте измерительной ячейки.

Фиг. 16 - изображение в разобранном виде одного варианта выполнения настоящего изобретения, показывающее один пример монтажа чувствительной к частоте измерительной камеры с кожухом, который опоясывает многочастотный микроволновой источник, микроволновой детектор, компьютер и взаимодействующую электронику сопряжения.

Фиг. 17 (а)-(в) - изометрические проекции другого варианта выполнения измерительной камеры во взаимодействии с устройством по настоящему изобретению с диэлектриком, взаимодействующим с одной стороной камеры.

Фиг. 18 (а)-(в) - изометрическая проекция еще одного варианта выполнения измерительной камеры во взаимодействии с устройством по настоящему изобретению с диэлектриком, расположенным вдоль центра камеры.

Фиг. 19 (а, б) - еще один вариант выполнения измерительной камеры во взаимодействии с устройством по настоящему изобретению с использованием множества элементов резонаторов во взаимодействии с камерой.

Фиг.20 - перспективный вид в разобранном виде измерительной камеры в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения настоящего изобретения, включающий устройство соединительной антенны, содержащее модифицированную микрополосковую схему, соединенную с множеством щелевых линий.

Фиг.21 - передний вертикальный вид антенной панели, используемой в варианте выполнения настоящего изобретения по фиг.20.

Фиг.21А - передний вертикальный вид, показывающий альтернативную микрополосковую схему для антенной панели по фиг.21.

Фиг.22 - вертикальный вид в поперечном сечении по линии 22-22 по фиг.21.

Фиг.23 - вертикальный вид сзади антенны по фиг.21.

Фиг. 24 - передний вертикальный вид металлической закрывающей пластины, используемой в варианте выполнения настоящего изобретения по фиг.20.

Фиг.25 - вертикальный вид в поперечном сечении по линии 25-25 по фиг.24.

Фиг. 26 - вертикальный вид сзади металлической закрывающей пластины по фиг.24.

Фиг.27 - вертикальный вид в поперечном сечении по линии 27-27 по фиг.26.

Фиг. 28 - вид в плане сверху полностью смонтированной измерительной камеры по фиг.20.

Фиг. 29 - вид в увеличенном масштабе, частично с вырывом подробной секции, обозначенной под цифрой 29 по фиг.28.

Фиг. 30 - изображение секции типичной обрабатывающей установки для устройства по изобретению. На фиг.30 изображен обрабатываемый материал движущимся от одной стадии обработки к следующей и показано соотношение одного варианта выполнения изобретения с другим оборудованием в типичном процессе посредством включения устройства последовательно с трубопроводом.

Вышеприведенное общее описание и последующее подробное описание являются простой иллюстрацией принципов данного изобретения, и дополнительные варианты, преимущества и особенности этого изобретения будут понятны специалистам в этой области техники без отклонения от идеи и объема настоящего изобретения.

Описание предпочтительных вариантов выполнения
Подробные ссылки делаются на предпочтительные в настоящее время варианты выполнения изобретения в соответствии с прилагаемыми чертежами.

В настоящем изобретении используют в одном простом варианте выполнения характеристики волновода с параллельными пластинами с фиксированным расстоянием между пластинами. На фиг.1 (а) схематично изображен волновод с параллельными пластинами с хорошо проводящими пластинами, расположенными в плоскостях X= 0 и X=а. Таким образом, пластины имеют фиксированное расстояние а между пластинами. Для волн TEm,0, направляемых пластинами, применяется следующая формула:

где
- длина волны в свободном пространстве микроволнового сигнала, m - индекс моды и - угол между вектором распространения и вертикальной осью волновода.

Формула может быть переписана в следующем виде:

где
f - частота, - магнитная проницаемость и - электрическая проницаемость среды между пластинами.

Микроволны различных длин волн или частот отскакивают наклонно между пластинами. Разные величины связанного с этим угла дают разные характеристики, например, для высоких частот m/2a является небольшим cos примерно равен нулю и примерно равен 90o. В таком случае волны просто скользят между пластинами, как в случае линии передачи по фиг.1(б). Когда частота уменьшается, m/2a увеличивается, уменьшается, и волны отскакивают все более косо, как показано на фиг.1 (в)-(д). В конечном счете длина волны установится равной 2a/m, для которой cos равен 1, когда равен нулю градусов, и микроволны просто отскакивают вперед и назад перпендикулярно пластинам, как показано на фиг.1(е). Микроволны на фиг.1(е) не показывают направляющее действие со стороны параллельных пластин. Для > 2a/m, m/2a > 1, cos > 1 и не имеет действительного решения. Когда микроволны отскакивают вперед и назад перпендикулярно к пластинам, то отсутствует распространение для этих длин волн в режиме волновода. Скорее отмечается хорошо определенная характеристика аттенюации, основанная на прямом соединении полей вместо распространения волн. Такое условие известно под названием "отсечка". См., например, для Elements of Engineering Electronics, третье издание, издательство Nannapaneni Narayana Rao, Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey 07632 (1991).

Длина волны отсечки, c определяется как:

Это есть длина волны, для которой расстояние а равно числу m половин длин волн. Таким образом, должна быть меньше, чем c для любой отдельной моды при возможном распространении. Частота отсечки определяется следующим образом:

Распространение конкретного типа волн возможно только в случае, если частота больше, чем частота отсечки для этого типа, т.е. < c . Как следствие, волны данной частоты f могут распространяться во всех модах, для которых длина волны в свободном пространстве меньше, чем длины волн отсечки, или частота больше, чем частоты отсечки.

Фиг.2 - график зависимости логарифма величины сигнала от частоты для небольшой величины электропроводности и нескольких величин диэлектрической проницаемости согласно теории. График иллюстрирует явление, при котором частота отсечки определяется, главным образом, величиной диэлектрической проницаемости для небольших величин электропроводности, и форма логарифма величины сигнала по отношению к частоте является признаком, который дает возможность легко идентифицировать частоту отсечки. Кривые на графике по фиг. 2 были вычислены, исходя из идеальной структуры волновода, но предполагая, что материал, содержащийся в структуре, не был идеальным диэлектриком, не имеющим потерь. При фактической реализации будут иметь место признаки логарифма величины сигнала по отношению к частоте, выведенные из этой идеальной характеристики. Однако, как показано на фиг.3, представляющей собой график фактических данных в отношении нефти, содержащей разные количества воды, природа характеристики отсечки является доминирующей частотной характеристикой и хорошо подходит для измерения диэлектрических свойств смеси.

Фиг. 3 представляет собой график логарифма величины сигнала по отношению к частоте для воды в пробных образцах нефти/масла. На фиг.3 видно преобладание частоты отсечки. В зоне полосы пропускания - часть кривых направо от круто наклонного участка - сигналы "перепутались". Любое измерение амплитуды в зоне полосы пропускания при любой конкретной частоте не даст удовлетворительных результатов в определении количества воды в нефти/масле. Однако в зоне отсечки, зоне, показывающей крутой наклон в частотной характеристике, разные кривые становятся хорошо выраженными, показывая отчетливое сепарирование как функцию содержания воды в смеси нефть-вода. Поиск этой отчетливой формы и определение, где это происходит в частоте, обеспечивает точное и чувствительное измерение содержания воды и вообще характеристик смеси.

Фиг.4 - график логарифма величины сигнала по отношению к частоте для фиксированной величины диэлектрической проницаемости r и нескольких величин электропроводности согласно теории. На фиг.4 показано теоретическое поведение формы логарифма величины сигнала по отношению к частоте, когда электропроводность изменяется, тогда как действительная часть комплексной проницаемости, т. е. диэлектрической проницаемости, остается фиксированной. Форма кривых на фиг. 4 показывает, что есть только небольшое изменение в частоте отсечки, когда электропроводность изменяется в четком широком диапазоне. Четкость зоны перехода отсечки однако изменяется с электропроводностью. Аттенюация в полосе пропускания также усугубляется.

Фиг.5 - график логарифма величины сигнала по отношению к частоте по настоящему изобретению при измерении концентрации соли в дистиллированной воде. На фиг.5 представлены фактические данные, полученные при использовании дистиллированной воды и соли. Когда концентрация соли, растворенной в дистиллированной воде, увеличивается, кривые показывают поведение, аналогичное теоретическим результатам на фиг.4. Частота отсечки изменяется лишь незначительно в точке пересечения иллюстрируемых кривых. Частота отсечки изменяет наклон кривой обратно пропорционально по отношению к увеличивающейся электропроводности.

Фиг.6 является графиком производной логарифма величины сигнала по отношению к частоте для условий по фиг.2. На фиг.6 четко показано, что местоположение в частоте пиковой величины производной образует измерение частоты отсечки согласно теории и по настоящему изобретению. Фиг.6 - иллюстрация теоретических результатов, но в этом случае производная кривых на фиг.2 представляет интерес. Очень точное определение частоты отсечки fc может быть выполнено путем размещения вдоль оси частоты точки функции, когда производная логарифма величины сигнала по отношению к частоте достигает своей пиковой величины.

Фиг. 7 - график производной логарифма величины сигнала по отношению к частоте для условий по фиг.4. На фиг.7 показано, что величина производной обратно пропорциональна величине электропроводности материала и что местоположение пика в частоте обеспечивает определение частоты отсечки. Таким образом, измерение диэлектрической проницаемости согласно теории и по настоящему изобретению подтверждается.

Фиг. 7 - график количественных изменений в форме кривых частотной характеристики, преобразованных в количественные результаты. Фиг.7 представляет собой график производной кривых по фиг.4. Как и на фиг.6, каждая из производных на фиг. 7 имеет пик вблизи истинной величины fc. Также важно для настоящего изобретения, что высота пиков обратно пропорциональна электропроводности. При фактической реализации функция производной может содержать некоторый шум и показывать некоторое число разных пиков в силу таких частотных чувствительных параметров, как усиление усилителя, чувствительность детектора и тому подобное. При таких шумовых ситуациях необходимо произвести маршрутное определение частоты отсечки с помощью кривых логарифма величины, как показано на фиг.2, 3, 4 или 5, и затем использовать функцию производной для вычисления более точной величины. Функция второй производной может также использоваться предпочтительно, так как вторая производная будет пересекать ноль в точке, где первая производная достигает пика.

Фиг. 8 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую один вариант выполнения устройства по настоящему изобретению. Основные компоненты этого устройства показаны на фиг.8: камера 102, многочастотный источник 104, детектор 108, компьютер 109, аналоговое устройство 112 и дисплей 114. Многочастотный источник 104 дает сигнал для камеры 102 по линии 106. Камера 102 имеет специфический размер а, как описано выше. Сигнал из камеры 102 подается на детектор 108 по линии 107. Сигнал от детектора 108 подается на компьютер 109 по линии 116. Компьютер 109 может обеспечивать данными аналоговое устройство 112, дисплей 114 или обратно многочастотный источник 104 по линии 110. Следует отметить, что компьютер 109 функционирует для получения производной логарифма величин сигнала, т.е. действует как derilogmagnetizer.

Фиг. 9 - это изометрический вид предпочтительного варианта выполнения измерительной камеры устройства по настоящему изобретению. На фиг.9 показан один вариант выполнения камеры 200, как показано на блок-схеме на фиг.8 (см. элемент 102 на фиг.8). Камера 200 имеет входное отверстие 202, ограниченное входной манжетой 204. Входная манжета 204 соединена с входным переходным элементом 210 для преобразования круглой в поперечном сечении конфигурации в прямоугольную в поперечном сечении конфигурацию. Входной переходный элемент 210 связан с измерительной ячейкой 220. Измерительная ячейка 220 соединена с выходным переходным элементом 212 для преобразования прямоугольной в поперечном сечении конфигурации, взаимодействующей с измерительной ячейкой 220, в круглую в поперечном сечении конфигурацию. Выходной переходный элемент 212 соединен с выходной манжетой 208, которая ограничивает выходное отверстие 206.

Фиг. 10 представляет собой перспективное изображение в разобранном виде одного варианта выполнения измерительной камеры во взаимодействии с устройством по настоящему изобретению, как показано на фиг.9. На фиг.10 изображены внутренние характеристики входного переходного элемента 210, измерительной ячейки 220 и выходного переходного элемента 212. Входной переходный элемент 210 плавно изменяется по длине в поперечном сечении из круглого в прямоугольное, одновременно сохраняя постоянной площадь поперечного сечения. Аналогичным образом, выходной переходный элемент 212 плавно изменяется по длине в поперечном сечении из прямоугольного в круглое, одновременно сохраняя постоянной площадь поперечного сечения. Операционный трубопровод соединяется непосредственно с круглой входной манжетой 204 и выходной манжетой 208 посредством стандартных соединительных устройств для соединения труб (резьба, фланцы, зажимы и т.д.), так что блок измерительной камеры 200 становится функциональной частью операционного трубопровода. Обрабатываемый материал, проходящий по операционной трубе, также проходит непрерывно через измерительную камеру 200 точно так, как если бы он проходил через любую другую секцию трубы, установленную последовательно с линией операционного трубопровода. Сохранение постоянной площади поперечного сечения сводит до минимума падение давления, вызываемое включением камеры 200 в устройство операционного трубопровода, при этом пустоты не образуются, когда обрабатываемый материал проходит через измерительную ячейку 220. Вертикальный размер измерительной ячейки 220 соответствует размеру "a" в уравнении (5) для частоты отсечки вида TE10 в волноводе с параллельными пластинами. Вертикальный размер выбран с расчетом, чтобы частота отсечки падала в операционном частотном диапазоне многочастотного источника микроволновой энергии 104 для диапазона прогнозируемых величин проницаемости обрабатываемого материала. Вертикальный размер также выбран с расчетом, чтобы частота отсечки для вида TE10 была больше или равна частоте отсечки вида TM01, который, в противном случае, возбуждался бы во входной и выходной манжетах 204 и 208 и в операционном трубопроводе, соединенном с измерительной камерой 200. Ширина измерительной ячейки 220 выбрана с расчетом, что площадь поперечного сечения измерительной ячейки 220 равна площади поперечного сечения операционного трубопровода, входной и выходной манжет 204 и 208 и переходных секций 210 и 212.

Измерительная камера 200 имеет первый микроволновой соединительный канал 226 и второй микроволновой соединительный канал 228, которые параллельны друг другу и соосно выравнены. Соединительные каналы 226, 228 служат как входной и выходной каналы для микроволновой энергии, которая взаимодействует с показанной на фиг.9 и 10 петлей связи, соединенной с каждым соединительным каналом 226, 228 для соединения энергии в направлении в и из измерительной камеры 200 (см. фиг.15 и 16). Предпочтительно, петля связи или другое соединительное устройство изолирована от внутренней части измерительной камеры 200. Изоляция петель связи от внутренней части измерительной камеры 200 легко осуществляется квалифицированными мастерами с использованием прозрачных для микроволн окон (не показаны).

Чувствительная к частоте измерительная камера 200 имеет входное отверстие 202, ограниченное входной манжетой 204, которая соединена с входным переходным элементом 210. Входной переходный элемент 210 соединяется с прямоугольной измерительной камерой 200, которая имеет хорошо определенные характеристики частоты отсечки. Аналогичным образом, выходной переходный элемент 212 соединен с противоположной стороной прямоугольной измерительной камеры 200 и с выходной манжетой 208, которая ограничивает выходное отверстие 206. На фиг. 11 ясно виден с помощью вертикального вида переход в вертикальном размере устройства от диаметра входной и выходной манжет 204 и 208 к узкому размеру прямоугольного поперечного сечения чувствительной к частоте измерительной ячейки 220. Этот узкий вертикальный размер, измеренный от внутренних поверхностей измерительной ячейки, является размером, который устанавливает характеристики частоты отсечки измерительной ячейки 220.

Фиг.12 представляет собой вид в плане сверху изометрического изображения чувствительной к частоте измерительной камеры 200 по настоящему изобретению по фиг. 9 и 11. Изображенный вариант чувствительной к частоте измерительной камеры 200 по настоящему изобретению соосно выравнен по каналу с проходом материала через него. Монтажные выступы 232, 234 и 236 предусмотрены для крепления защитного кожуха для микроволновых и электронных компонентов, связанных с изобретением. Такой кожух показан под общей позицией 240 на фиг. 30.

Фиг.13 представляет собой торцевой вид изометрического изображения варианта выполнения чувствительной к частоте измерительной камеры 200 по настоящему изобретению по фиг.9. Торцевой вид на фиг.13 изображает этот проход через устройство и особенно через чувствительную к частоте измерительную камеру 200. Во внутренней части чувствительной к частоте измерительной камеры 200 не имеется выступов или преград, которые могли бы препятствовать потоку или перемещению обрабатываемого материала через измерительную ячейку 220, и также нет деталей или частей, которые могли бы изнашиваться или испортиться.

Фиг. 15 представляет собой изображение в разобранном виде варианта выполнения измерительной камеры 200. Показаны передающий элемент 240 и принимающий элемент 241 антенных пластин, которые смонтированы на рабочих герметизирующих фланцевых элементах 230 и 231 антенны соответственно. Отверстия в этих антенных элементах 230 и 230 образуют микроволновые соединительные каналы 226 и 228. Соединительные каналы 226 и 228 представляют собой монтажные места для рабочих уплотнителей, прозрачных для микроволн, (не показано) и кожуха для петель 250 и 251 связи. (Петли связи 250 скрыты на фиг.15). Микроволновая энергия передается на петлю 250 связи передающей антенны через передающий коаксиальный кабель 260, соединенный с многочастотным микроволновым источником. Энергия через измерительную камеру соединяется с петлей 251 связи принимающей антенны, после чего эта энергия затем соединяется с детектирующим устройством микроволновой энергии через принимающий коаксиальный кабель 261. Коаксиальные кабели 260 и 261 соответствуют линиям 106 и 107 по фиг.8. Диэлектрическое уплотнение (не показано) может быть полностью расположено в отверстии в антенных рабочих герметизирующих фланцах 230 и 231 или же одно диэлектрическое уплотнение, состоящее из непрерывной диэлектрической обкладки (не показано), может покрывать всю внутреннюю поверхность измерительной ячейки, тем самым герметизируя отверстия в антенных рабочих герметизирующих фланцах 230 и 231, или оба типа диэлектрических уплотнений могут применяться одновременно.

Фиг.16 изображает устройство для монтажа устройства измерительной камеры с кожухом 109 рабочей электроники.

Фиг. 17 (а)-(в) представляют собой многочисленные виды альтернативного варианта выполнения измерительной ячейки, имеющей хорошо определенные характеристики частоты отсечки, которая может использоваться с высоко электропроводными обрабатываемыми материалами. Как показано на фиг.17 (а)-(в), диэлектрический вкладыш 221А размещается вдоль одной стенки измерительной ячейки 220А, чтобы обеспечить соединительную траекторию с низкими потерями через измерительную ячейку, даже когда остальное пространство в ячейке заполнено высокоэлектропроводным обрабатываемым материалом. Диэлектрический материал образует внутреннюю часть структуры волновода с эффективными параллельными пластинами, которая имеет в качестве одной направляющей пластины стенку измерительной ячейки 220А и в качестве второй направляющей пластины - электропроводный материал, заполняющий измерительную ячейку. Частота отсечки результирующей структуры волновода будет зависеть от размера измерительной ячейки, диэлектрической проницаемости диэлектрического вкладыша 221А и электромагнитных свойств обрабатываемого материала, заполняющего остальное пространство в измерительной ячейке 220А. Следует отметить, что соединительные каналы (только один показан на фиг.17 (а)), соответствующие функциям соединительных каналов 226 и 228 первого варианта выполнения, показанного на фиг. 9, смещены так, что микроволновая энергия будет соединяться непосредственно в диэлектрическом вкладыше 221А.

На фиг. 18 (а)-(в) показаны многочисленные виды еще одного альтернативного варианта выполнения измерительной ячейки, имеющей хорошо определенную характеристику частоты отсечки, которая может использоваться с высокоэлектропроводными обрабатываемыми материалами. Как показано на фиг.18 (а)-(в), диэлектрический вкладыш 221В помещен в центре измерительной ячейки 220В, чтобы обеспечить соединительную траекторию с низкими потерями через измерительную ячейку в поперечном направлении, даже когда остальное пространство в ячейке заполнено высокоэлектропроводным обрабатываемым материалом. Диэлектрический материал образует внутреннюю часть структуры волновода с эффективными параллельными пластинами, которая имеет в качестве одной направляющей пластины электропроводный материал, заполняющий верхнюю часть остающегося пространства в измерительной ячейке 220B и в качестве второй направляющей пластины электропроводный материал, заполняющий нижнюю часть измерительной ячейки 220B. Частота отсечки результирующей структуры волновода будет зависеть от размера измерительной ячейки, диэлектрической проницаемости диэлектрического вкладыша 221B и электромагнитных свойств обрабатываемого материала, заполняющего остающееся пространство измерительной ячейки 220B. Следует отметить, что соединительные каналы (только один показан на фиг.18 (а)), соответствующие функциям соединительных каналов 226 и 228 первого варианта выполнения по фиг.9, расположены так, что микроволновая энергия будет соединяться непосредственно в диэлектрическом вкладыше 221B.

Важно отметить, что каждый из вариантов выполнения, представленных выше, лучше описан в виде структуры волновода с параллельными пластинами, чем в виде прямоугольной волноводной структуры. Поляризация полей в каждой из чувствительной к частоте измерительной ячейке 220, 220A и 220B такая, что электрическое поле параллельно продольной оси измерительной ячейки, и поэтому волны не распространяются в осевом направлении за рабочий трубопровод, т. е. в направлении потока обрабатываемого материала. Фиг.30 является изображением секции типовой рабочей установки для устройства по изобретению. Обрабатываемый материал поступает в бак или бункер 230, где он подвергается некоторой стадии обработки, такой как смешивание с водой. Материал подается из бункера в секцию рабочего трубопровода 232 и в измерительную камеру 239 настоящего изобретения посредством насоса 236 или другого транспортирующего устройства. После прохода через измерительную камеру 234 обрабатываемый материал продолжает течь через выходной трубопровод 238, после чего он поступает на следующую стадию обработки. Так как по настоящему изобретению микроволновая энергия не может распространяться за пределы измерительной камеры и за рабочий трубопровод, на измерение электромагнитных свойств обрабатываемого материала не воздействует насос 236 или любое другое рабочее устройство, соединенное с измерительной камерой через рабочий трубопровод. Эта изоляция измерительной камеры от остального рабочего оборудования в силу структуры измерительной ячейки и переходных элементов является значительным преимуществом по сравнению с другими способами и устройствами, которые пытаются использовать волноводные характеристики рабочего трубопровода либо круглого, либо прямоугольного поперечного сечения.

Фиг.19 изображает другой вариант выполнения чувствительной к частоте измерительной ячейки 220C во взаимодействии с устройством согласно настоящему изобретению для использования с воздухом или газами. Устройство имеет множество резонаторных элементов или стержней 221C во взаимодействии с чувствительной к частоте измерительной ячейкой 220C. Такая измерительная ячейка 220C может быть выполнена аналогично микроволновому фильтру, но имеет входной и выходной каналы, которые дают возможность содержащему влагу воздуху или другим газам проходить между стержнями 221C. Присутствие влаги или других газов будет изменять диэлектрические свойства пространств между стержнями 221C и влиять на форму характеристики фильтра. Измерение частотной характеристики этой испытательной камеры будет давать измерение содержания влаги в воздухе или диэлектрического признака других присутствующих газов. Четкость зависимой от частоты характеристики и ее чувствительность к изменениям в диэлектрике и к потерям свойств газов, заполняющих пространство между стержнями 221C, могут управляться с помощью множества стержней 221C и их интервала и с помощью правильного выбора материалов, используемых в противодействие камеры.

Фиг. 14 представляет собой блок-схему, изображающую способ по настоящему изобретению. Текучий обрабатываемый материал нагнетается насосом, вдувается, подается шнеком или под действием силы тяжести для его входа в, протекания через и затем выхода из чувствительной к частоте измерительной камеры (или ячейки). Для нетекучих обрабатываемых материалов конструкция измерительной ячейки должна давать возможность обрабатываемому материалу поступать в измерительную зону внутри чувствительной к частоте измерительной ячейки без того, чтобы обрабатываемый материал соответствовал форме чувствительной к частоте ячейки. Обрабатываемый материал подвергается воздействию электромагнитной энергии, генерируемой многочастотным источником. Многочастотный источник управляется компьютером так, чтобы изменять частоту сигнала известным требуемым способом для образования выходного сигнала с отличительной характеристикой частоты отсечки. Выходной сигнал детектируется и усиливается принимающим устройством и преобразуется в цифровую форму с помощью традиционного аналого-цифрового преобразователя. Цифровое представление сигнала анализируется компьютером для определения частоты отсечки чувствительной к частоте измерительной ячейки, которая определяется геометрией и материалами конструкции измерительной ячейки и электромагнитными свойствами обрабатываемого материала, когда обрабатываемый материал протекает через измерительную ячейку или содержится в ней. Четкость характеристики отсечки также определяется с помощью математических алгоритмов в компьютере. Из измеренной частоты отсечки и четкости характеристики отсечки определяют диэлектрическую проницаемость и электропроводность материала, заполняющего чувствительную к частоте измерительную ячейку. Для некоторых применений измерение аттенюации полосы пропускания может также дать индикацию о плотности материала. Используя загруженные в ЗУ данные калибровки или уравнения, компьютер вычисляет и визуализирует на экране дисплея требуемое свойство материала, например, содержание влаги в материале. Программы в отношении средств программирования или аппаратных средств в компьютере также управляют выходными преобразователями, чтобы посылать управляющие сигналы на другие задействованные в процессе устройства или устройства, оперирующие данными в зависимости от случая использования. Измерительный цикл повторяется со скоростью, совместимой с потребностями управления и измерения в действующем процессе.

Настоящее изобретение обеспечивает много эксплуатационных преимуществ в виде легкости использования, простоты конструкции, точности измерений и диапазона применения. При жидкостных применениях устройство может быть пущено в работу просто путем замены секции трубопровода секцией с измерительной камерой. Чувствительная к частоте измерительная ячейка может быть выполнена чрезвычайно прочной и крепкой с возможностью выдерживать рабочее давление свыше 1000 фунт/дюйм2 и температуру свыше 450oF. Эти давления и температуры могут достигаться с помощью легко доступных материалов по очень скромным ценам.

Что касается чувствительной к частоте измерительной ячейки 220, в ней нет движущихся частей и по существу нет ничего, что могло бы мешать работе. Чувствительная к частоте измерительная ячейка 220 и взаимодействующая часть состоит только из камеры 200, выполненной из нержавеющей стали или другого соответствующего материала, которая плавно переходит от круглого поперечного сечения к прямоугольному посредством входного переходного элемента 210, двух неметаллических прозрачных для микроволн окон (например, пластиковых или керамических), небольших, толстых и заподлицо смонтированных в прямоугольной секции; двух простых петель связи, которые смонтированы за окнами; и выходного переходного элемента 212, который плавно переходит от прямоугольного поперечного сечения к круглому посредством выходного переходного элемента 212. Камера 200 не имеет движущихся частей, подверженных усталости, ничто не выступает в протекающий поток, что могло бы создать затор или разрушение, нет электронных компонентов, требующих защиты.

Точность измерения по настоящему изобретению главным образом зависит от точности измерения частоты отсечки. Частотный источник может быть выполнен очень стабильным и точным путем использования хорошо известных цифровых способов синтеза частоты. И, так как вычисление частоты зависит от формы частотной характеристики, а не от измерения абсолютной амплитуды или фазы, измерение в действительности не подвергается воздействию долгосрочного дрейфа выходной мощности, сдвигов усиленного усиления, изменений чувствительности детектора и т.п.

Дополнительно к преимуществу способа измерения частоты принцип частоты отсечки по настоящему изобретению упрощает остальные аспекты измерения, которые не достигались предшествующими микроволновыми измерительными средствами. В зоне отсечки нет распространения энергии за пределы измерительной ячейки. Таким образом, нарушения из-за неисправности линии не рассматриваются. Также не играют роли эффекты многонаправленного распространения или многочисленные отражения от внешних рассеивающих объектов.

Когда частота приближается к зоне отсечки, эффективно направляемая длина волны энергии становится очень большой. Ненаправляемая длина волны в материале всегда вдвое больше вертикального размера измерительной ячейки при отсечке независимо от фактической частоты отсечки. В результате длина волны всегда значительно больше, чем любые воздушные пузырьки, захваченные жидкостью, или больше, чем любые твердотельные частицы, проходящие через ячейку. Таким образом, волна не отражается воздушными пузырьками или твердотельными частицами и поэтому не может произойти ошибки из-за рассеяния.

Измерительная камера может быть выполнена фактически любого размера, чтобы принимать широкий диапазон обрабатываемых материалов или устанавливать частоту отсечки для конкретного диэлектрического материала на любую заданную величину. Хотя многие ситуации измерения проходят в размере простой ячейки, которая размещает диапазон частоты отсечки в микроволновой части спектра, практическое применение настоящего изобретения не ограничивается этой частотной полосой.

В качестве примера такой модификации можно рассмотреть зависимую от частоты структуру, аналогичную конструкции микроволнового полосового встречно-штыревого фильтра, который состоит из серий резонирующих стержней, разнесенных друг от друга в параллельном устройстве внутри закрытого кожуха, чередующиеся концы стержней соединены с электрическим заземлением. См. фиг. 19 (а)-(б). Соединение энергии через структуру фильтра от стержня к стержню дает точную зависимую от частоты передаточную функцию. Измерительная камера может быть сконструирована аналогичным образом, как вышеприведенный фильтр, но имеет входное и выходное отверстия, которые дают возможность сырому воздуху или другим газам проходить между стержнями. Присутствие влаги или других газов будет изменять диэлектрические свойства пространств между стержнями и влиять на формы характеристик фильтра. Измерение частотной характеристики этой измерительной камеры будет давать измерение содержания влаги в воздухе или диэлектрический признак других газов, которые могут присутствовать. Четкость зависимой от частоты характеристики и чувствительность к изменениям в диэлектрике и к утрате свойств газов, заполняющих пространство между стержнями, может управляться количеством стержней и их разнесением друг от друга, а также правильным выбором материалов, используемых в конструкции камеры.

Другая модификация в функционировании настоящего изобретения состоит в использовании ортогонально поляризованных сигналов, которые оба проходят через измерительную ячейку и через обрабатываемый материал. Если измерительная ячейка является асимметричной в поперечном сечении, так что направляющая структура для двух поляризаций имеет отличающиеся интервал или форму, чтобы представлять отличающиеся характеристики распространения и отсечки частоты в отношении двух ортогональных волн, тогда выходные сигналы, соответствующие двум поляризациям, могут сравниваться друг с другом как средство определения электромагнитных свойств материала. Различия между двух поляризаций в амплитудах или фазах будут функцией геометрии измерительной ячейки и электрической и магнитной проницаемости обрабатываемого материала. Преимущество, создаваемое этой модификацией настоящего изобретения, состоит в том, что может использоваться уменьшенная ширина полосы частот, и проведенное измерение скорее является относительным измерением амплитуды или фазы, чем абсолютным измерением.

Если тот же самый источник сигнала используется для генерирования двух поляризаций, изменения в выходной мощности не будут влиять на результаты. Если обычный приемник используется для выходных сигналов, тогда сдвиги в характеристиках приемника в зависимости от времени или температуры не имеют значения. Так как обе поляризации проходят через один и тот же материал в одно и то же время, не требуется компенсации в отношении разницы в длинах траектории или других факторов, которые могли бы повлиять на принцип измерения абсолютной амплитуды или фазы.

На фиг.20-29 показан наиболее предпочтительный вариант выполнения измерительного устройства электромагнитных свойств по настоящему изобретению под общей позицией 300. Следует отметить, что измерительное устройство 300 на фиг. 20 отличается от измерительного устройства на фиг.9-13 и 15-16 главным образом использованием соединительной структуры волновода с широкой полосой частот в прежнем варианте выполнения и соединительной структурой с относительно узкой шириной полосы пропускания (т.е. рамочные антенны) в последнем. Как подробно описано ниже, соединительная структура с большой шириной полосы пропускания на фиг.20 создает новый микроволновый переход, который обеспечивает эффективную связь микроволновой энергии от коаксиальной линии передачи до волновода (т. е. камеры или ячейки) по многооктавной ширине полосы пропускания посредством промежуточной микрополосы до схемы связи щелевой линии.

На фиг.20 в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения настоящего изобретения устройство для измерения электромагнитных свойств типа, показанного на фиг.9, включает в себя камеру 300, имеющую входное отверстие 302, ограниченное входной манжетой 304, и выходное отверстие 306, ограниченное выходной манжетой 308. Каждая входная манжета и выходная манжета соединена с промежуточным переходным элементом 310, 312 соответственно для перехода от круглой конфигурации поперечного сечения к прямоугольной конфигурации поперечного сечения. Измерительная ячейка 314, имеющая прямоугольное поперечное сечение, расположена между переходными элементами 310, 312.

Новая микроволновая соединительная структура варианта выполнения по фиг. 20 включает в себя передающую микроволновую соединительную структуру 316 и принимающую микроволновую соединительную структуру 316' зеркального отражения. Каждая соединительная структура 316, 316' входит в прямоугольное отверстие 318, имеющееся в противостоящих поверхностях параллельных боковых сторон 320, 320' камеры 300. Для простоты изложения описывается только передающая соединительная структура 316, при этом принимающая соединительная структура 316' содержит идентичные компоненты. Отверстие 318 имеет выемку 322 (см. фиг. 29), так что отверстие 318 имеет внутреннюю секцию меньшей площади поперечного сечения, окруженную наружной секцией, образованной выступом кромки 319. Эта наружная секция оканчивается на боковой поверхности 322. Диэлектрический уплотнительный элемент 324 имеет форму, совпадающую с формой отверстия 318, входит в отверстие 318 и удерживается им. Закрывающая пластина 330 (подробно описывается ниже) прижимается к диэлектрическому уплотнителю 324, чтобы удерживать его на месте. Прижимное кольцо 326 устанавливается в отверстии 318 между выступом 319 и сопряженным выступом 328 на уплотнительном элементе 324. Уплотнительный элемент 324 содержит соответствующий диэлектрик, такой как политетрафторэтилен (ПТФЭ), полипропилен или другой соответствующий полимер, как, например, ULTEM производства фирмы Dupon.

Металлическая крышка 330 (наглядно показана на фиг.24-27) включает четыре отверстия 332 для приема резьбовых креплений 334, которые съемно крепят крышку 330 в соответствующих отверстиях 336 в боковой поверхности 320 камеры 300. Прижимное кольцо 337 герметично устанавливается между крышкой 330 и периферийным зазором 339, образованным между диэлектриком 324 и боковой поверхностью 320. Наружняя поверхность 338 крышки 330 содержит ряд из пяти отверстий (в устройстве четырех равноотстоящих отверстий 340 с одним центральным отверстием 342). Центральное отверстие 342 принимает традиционный выпускаемый промышленностью коаксиальный соединитель 344 с микрополосой, который удерживается на поверхности 338 четырьмя резьбовыми креплениями 346, входящими в отверстия 340. Внутренняя поверхность 348 крышки 330 включает утопленное пространство 350, имеющее ступеньку 352 для образования нижнего прямоугольного пространства 354 и верхнего прямоугольного пространства 356. Следует отметить, что нижнее и верхнее пространства 354, 356 каждое имеет одинаковую длину с внутренним пространством 354, имеющим меньший размер ширины, чем верхнее пространство 356 (см.фиг.26).

Прямоугольный диэлектрический блок 358 имеет размеры, соответствующие нижнему пространству 354, и расположен в пространстве 354. Диэлектрический блок 358 может быть выполнен из тех же материалов, что и диэлектрик 324.

На фиг.21-23 плата микроволновой схемы 360 имеет размер и форму, соответствующие верхнему пространству 356 и удерживается в пространстве 356 четырьмя резьбовыми креплениями 362, которые входят в соответствующие отверстия 364 и 366 на схеме 360 и выступе 352 крышки 320 соответственно. Микроволновая схема 360 содержит многослойную схему, выполненную из соответствующего диэлектрического материала 368, L-образную линию цепи 370, наслоенную на или вделанную в диэлектрик 368, и множество схем щелевых линий 372, 374 и 376 на наружной поверхности или заземляющей плоскости 377 диэлектрика. Следует отметить, что линия схемы 368 поперечна щелевым линиям 372-376. Устройство из пяти отверстий 378, 380 предусмотрено в схеме 360, так что коаксиальный соединитель 344 крепится и электрически соединяется со схемой 370. Четыре равно разнесенных отверстия 378 соединяются с щелью, содержащей заземляющую плоскость 377. Центральное отверстие 380 соединяет центральную жилу коаксиального кабеля с линией 370 микрополосковой схемы. Дополнительно микроволновая схема 360 включает металлизированные кромки 382, чтобы препятствовать электрическим полям связываться за кромками и помогать поддерживать чистоту поляризации, т.е. кромки помогают поддерживать ориентацию электрического поля в камере 300.

Как наглядно показано на фиг.29, при полностью собранном микроволновом соединителе микроволновая схема 360 составляет прослойку между двумя диэлектрическими блоками 324 и 358. Относительно электрических преобразований эта сборка содержит традиционный коаксиальный кабель для микрополоскового соединителя 344, сопряженного с модифицированной микрополосковой схемой 370, которая, в свою очередь, соединена с одной или несколькими щелевыми линиями 372-376. Щелевые линии прижимаются к диэлектрическому окну (или рабочему уплотнителю) 324, так что поля, установленные в щелевых линиях, соединяют энергию через диэлектрическое окно в волноводе 314. Распределение поля в щелевой линии устанавливает электрическое поле, ориентация которого в волноводе поперечна требуемому направлению передачи, или, если частота ниже частоты отсечки волновода, поперечна требуемому направлению прямого соединения. Микрополосковая схема описана как "модифицированная", потому что используются диэлектрический материал 358 и металлическая пластина 330, которые закрывают схему 370. Металлическая опорная пластина 330 защищает схему от повреждения и обеспечивает достаточную прочность для соединительной структуры, чтобы выдерживать нагрузку высокого давления в волноводе.

Многочисленные щелевые линии 372, 374 и 376 используются для получения исключительно широкополосной характеристики. Щелевые линии расположены параллельно друг другу и отстоят друг от друга в соответствии с частотой. Одна микрополосковая линия 370 проходит перпендикулярно щелевым линиям 372-376 и пересекает щелевые линии в их центре. Каждая щелевая линия составляет по длине примерно одну половину длины волны при выбранной частоте и отстоит примерно на одну четверть длины волны при своей проектной частоте от открытого конца микрополосковой линии. Щелевые линии попеременно оканчиваются на обоих концах либо в цепи короткого замыкания 372, 376, либо в разомкнутой цепи 374 для образования стоячей волны в каждой щелевой линии. Чередующиеся шунтированные и разомкнутые окончания принуждают фазу стоячих волн изменяться от одной щелевой линии к другой. Изменяющаяся фаза сводит до минимума нежелательные соединения между смежными линиями таким же образом, как в логопериодической антенной решетке, чередующиеся элементы которой питаются вне фазы. Логопериодический интервал между щелевыми линиями расположен на расстоянии и поэтому в частоте также желателен, но не требуется для обеспечения отличительных признаков этого изобретения. Обращаясь к фиг.21 (А), микрополосковая линия 370 может извиваться вперед и назад (например, серпантино- или зигзагообразно, пересекая щелевые линии под прямыми углами) в пространстве между щелями, чтобы увеличить электрическую длину без образования больших интервалов между щелями.

Длина волны распространения энергии в цепях микрополос и щелевых линий может управляться независимо от длины волны той же частотной энергии в волноводе путем соответствующего выбора материала печатной платы 368, из которого выполнены микрополосы и щелевые линии, и путем проектирования ширины линий. Длина волны в волноводе управляется диэлектрическими свойствами материала, заполняющего волновод, и расстоянием между стенками волновода. Предпочтительно диэлектрик 368 - это материал с высокой относительной диэлектрической проницаемостью (примерно 10), как керамика, наполненная твердотельным ПТФЭ под товарным знаком RT/Duroid6010 производства фирмы Rogers Corporation. Такое независимое управление длиной волны дает возможность эффективно соединять энергию в волноводе как ниже, так и выше его частоты отсечки, независимо от материала, заполняющего волновод.

Настоящее изобретение обеспечивает ряд важных преимуществ по сравнению с предшествующим уровнем техники в отношении соединения энергии в структуре волновода. Другие преимущества достигаются, когда волноводная структура используется как часть измерительного устройства в процессе производства, например, измерительное устройство для измерения диэлектрических свойств, в котором внутренняя часть волновода заполнена материалом, зависящим от давления и температуры в промышленном процессе. Этими преимуществами являются:
1. Повышенная эффективность соединения в многооктавной ширине полос пропускания.

2. Соединение полей с внутренней секцией волновода при частотах выше и ниже частоты отсечки, основываясь на материале, заполняющем волновод, и на расстоянии между стенками волновода.

3. Соединение полей с внутренней секцией волновода при высокой степени чистоты поляризации.

4. Обеспечение соединительной структуры, недорогой при создании из общедоступных материалов, используя способы производства стандартных печатных плат электрических схем.

5. Обеспечение соединительной структуры, механическая конструкция которой будет выдерживать температуры и давления, связанные с широким диапазоном промышленных процессов производства.

6. Обеспечение соединительной структуры, которая не имеет частей, выступающих во внутреннее пространство волновода.

Хотя изобретение описано на основании подробно изложенных вариантов выполнения, следует иметь в виду, что они являются только иллюстрацией и что изобретение не обязательно ими ограничивается, так как альтернативные варианты выполнения и технологические приемы будут очевидны для специалистов в этой области техники, исходя из данного описания. Соответственно возможны модификации, которые могут быть произведены без отклонения от идеи данного изобретения.

Дополнительные преимущества и модификации могут быть очевидны для специалистов в этой области техники. Изобретение в своем широком смысле поэтому не ограничивается специфическими деталями, рассмотренным примерным устройством и примерами, приведенными в данном описании. Соответственно могут иметь место изменения в отношении деталей без отклонения от идеи и объема изложенной общей изобретательской концепции.

1. Измерительное устройство для измерения электромагнитных свойств для измерения любого параметра материала, который может быть вычислен путем измерения электромагнитных свойств исследуемого материала, включающее источник генерирования управляемой электромагнитной энергии, имеющей стабильные выбираемые частоты, камеру для измерения материала, функционально связанную с указанным источником таким образом, что указанная электромагнитная энергия проходит через указанную камеру, детектор, чувствительный к электромагнитной энергии, проходящей через указанную камеру для измерения материала, в котором материал в указанной камере для измерения материала влияет на частотные или фазовые характеристики электромагнитной энергии, проходящей поперек указанной камеры для измерения материала, отличающееся тем, что указанная камера для измерения материала имеет контур ограничения электромагнитной энергии с соединительным входом для приема электромагнитной энергии от указанного источника и с соединительным выходом, функционально соединенных с указанным детектором, указанная камера для измерения материала выполнена таким образом, чтобы устанавливать условие отсечки в рабочих пределах указанного источника, при этом условие отсечки измеряется как зависимая от частоты характеристика затухания, когда рабочая частота падает ниже эффективной частоты отсечки, при этом эффективная частота отсечки является частотой, при которой распространение прекращается до уровня, эквивалентного потере материала, заполняющего указанную камеру, указанный детектор функционирует в зоне отсечки для подачи детекторного сигнала, представляющего собой частотную характеристику частоты отсечки указанной камеры для измерения материала, содержащей исследуемый материал, процессор соединен с указанным детектором, указанный процессор анализирует указанную частотную характеристику частоты отсечки и определяет параметр исследуемого материала с использованием данных калибровки или уравнений.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что содержит устройство для анализа указанного сигнала детектора для определения частоты отсечки и четкости частотной характеристики частоты отсечки, при этом указанный процессор устанавливает свойства материала из указанной частоты отсечки и указанной четкости частотной характеристики частоты отсечки.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что содержит устройство для анализа указанного сигнала детектора для определения максимального значения производной логарифма величины указанного сигнала детектора по отношению к частоте, при этом указанный процессор устанавливает свойства материала по функции указанного максимального значения.

4. Устройство по пп.1, 2 или 3, отличающееся тем, что указанный источник может генерировать два ортогонально поляризованных электромагнитных сигнала и указанная измерительная камера асимметрична относительно этих двух ортогонально поляризованных электромагнитных сигналов, проходящих через нее, для представления четких характеристик отсечки и распространения для указанных ортогонально поляризованных сигналов, и тем, что указанный процессор включает устройство для сравнения выходных сигналов, соответствующих двум ортогонально поляризованным электромагнитным сигналам.

5. Устройство по любому из пп.1 - 3, отличающееся тем, что указанная измерительная камера выполнена полой и прямоугольной, что позволяет материалу течь через нее так, что энергия передается поперек этой прямоугольной камеры, имеющей поляризацию, выбранную таким образом, чтобы получить необходимую ответную характеристику частоты отсечки.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что ответная характеристика частоты отсечки определяется уравнением

где fc - частота отсечки;
c - скорость света;
a - расстояние между стенками камеры;
г - диэлектрическая постоянная исследуемого материала.

7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что ответная частотная характеристика частоты отсечки определяется уравнением

где А(f) - амплитуда по отношению к частоте выходной волны;
f - частота;
l - длина камеры для измерения материала;
fc - частота отсечки.

8. Устройство по любому из пп.1 - 4 или 5, отличающееся тем, что указанный соединительный вход и/или указанный соединительный выход включает по крайней мере одну щелевую линию, образованную на заземляющей плоскости, и что линия микрополосковой цепи соединена по крайней мере с одной указанной щелевой линией.

9. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что включает диэлектрический материал, поддерживающий указанное устройство линии микрополосковой цепи и по крайней мере одну указанную щелевую линию для образования микроволновой схемной платы.

10. Устройство по п.8, отличающееся тем, что включает металлизированные кромки на наружной периферии указанной микроволновой схемной платы.

11. Устройство по п.8, отличающееся тем, что указанное устройство линии микрополосковой цепи по существу проходит поперек по крайней мере одной щелевой линии и указанное устройство линий микрополосковых цепей заделано в диэлектрический материал.

12. Устройство по п.8, отличающееся тем, что включает устройство соединителя коаксиального кабеля с микрополосой, соединенное с указанным устройством линии микрополосковой цепи.

13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что включает первый и второй диэлектрические блоки, между которыми расположена указанная микроволновая схемная плата.

14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что включает устройство металлической крышки, имеющей противолежащие наружную и внутреннюю поверхности, причем внутренняя поверхность содержит пространство для последующего размещения указанного первого диэлектрического блока, за которым следует указанная микроволновая схемная плата, при этом указанное устройство соединителя коаксиального кабеля с микрополосой монтируется на указанной наружной поверхности и проходит через указанное устройство крышки для соединения с указанным устройством микрополосковой линии на указанной микроволновой схемной плате, причем указанное устройство металлической крышки крепится на наружной поверхности указанной измерительной камеры.

15. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что включает выемку в указанной наружной поверхности указанной измерительной камеры для размещения второго диэлектрического блока, причем выемка соосно выравнена с указанным устройством крышки.

16. Устройство по п.8, отличающееся тем, что включает множество разнесенных друг от друга щелевых линий с указанным устройством линий микрополосковой цепи, проходящего в поперечном направлении и расположенного поперек от центров каждой щелевой линии.

17. Устройство по п.16, отличающееся тем, что каждая щелевая линия составляет по длине около одной половины длины волны при выбранной частоте и отстоит примерно на одну четверть длины волны при выбранной частоте от открытого конца указанного устройства линии микрополосковой цепи.

18. Устройство по п.16, отличающееся тем, что щелевые линии попеременно оканчиваются на обоих концах либо в относительно шунтирующей цепи, либо в разомкнутой цепи для образования стоячей волны в каждой щелевой линии.

19. Устройство по п.8, отличающееся тем, что включает множество разнесенных друг от друга щелевых линий с указанным устройством микрополосковой линии, имеющим серпантинную конфигурацию, которая пересекает эти щелевые линии по существу под прямыми углами.

20. Устройство по любому из пп.1 - 3 и 5 - 19, отличающееся тем, что указанная измерительная камера образует волновод, стенками которого служат стенки измерительной камеры, в которой размещены диэлектрический вкладыш и электропроводный материал.

21. Устройство по любому из пп.1 - 19, отличающееся тем, что указанная измерительная камера имеет постоянную площадь поперечного сечения.

22. Устройство по любому из пп.1 - 19, отличающееся тем, что указанная измерительная камера расположена в поточной линии производственного оборудования и эта измерительная камера электрически изолирована от производственного оборудования так, что электромагнитные свойства материала в измерительной камере не подвергаются воздействию производственного оборудования.

23. Устройство по любому из пп.1 - 19, отличающееся тем, что диэлектрическая постоянная исследуемого материала определяется уравнением

где fc - частота отсечки;
c - скорость света;
a - расстояние между стенками камеры;
г - диэлектрическая постоянная исследуемого материала.

24. Устройство по любому из пп.1 - 3 и 5 - 7, отличающееся тем, что указанная измерительная камера выполнена полой и прямоугольной.

25. Устройство по п.24, отличающееся тем, что включает входное переходное устройство для подачи материала в указанную камеру и выходное переходное устройство для подачи материала из этой камеры, причем входное переходное устройство преобразует траекторию потока материала из круглого поперечного сечения в прямоугольное поперечное сечение, а выходное переходное устройство преобразует траекторию потока материала из прямоугольного поперечного сечения в круглое поперечное сечение.

26. Устройство по п.25, отличающееся тем, что указанная измерительная камера помещена в траектории потока производственного оборудования и эта измерительная камера электрически изолирована от производственного оборудования так, что электромагнитные свойства материала в измерительной камере не подвергаются воздействию производственного оборудования.

27. Способ измерения параметра материала, который может быть определен путем измерения электромагнитных свойств исследуемого материала, включающий стадии генерирования управляемой электромагнитной энергии, имеющей стабильные выбираемые частоты, пропускания материала через измерительную ячейку, воздействия на материал указанной электромагнитной энергии в указанной измерительной ячейке, причем материал в указанной измерительной ячейке влияет на частотные и фазовые характеристики указанной электромагнитной энергии, отличающийся тем, что указанная измерительная ячейка имеет контур ограничения энергии с заданными физическими размерами для обеспечения условия отсечки таким образом, что в границах контура распространение не происходит и произойдет только непосредственное соединение в границах контура в пределе применения рабочих частот, тем, что частота электромагнитной энергии изменяется по указанному множеству значений рабочих частот, соответствующих условию отсечки для получения выходного сигнала с отличительной формой частоты, показывающей частотную характеристику частоты отсечки, проведением анализа указанной частотной характеристики частоты отсечки, на которую воздействуют электромагнитные свойства материала, пропущенного через указанный чувствительный к частоте контур ограничения энергии, и определением параметра исследуемого материала на основании анализа частотной характеристики частоты отсечки.

28. Способ по п. 27, отличающийся тем, что указанная стадия анализа включает определение частоты отсечки и четкости частотной характеристики частоты отсечки и определение параметра материала на их основе.

29. Способ по п.27 или 28, отличающийся тем, что указанная стадия анализа включает определение максимума производной логарифма величины указанного детекторного сигнала по отношению к частоте и определение параметра материала по функции указанного максимума.

30. Способ по п. 27, отличающийся тем, что указанная электромагнитная энергия содержит два ортогонально поляризованных электромагнитных сигнала и указанный контур ограничения энергии является асимметричным для представления четких характеристик отсечки и распространения упомянутым ортогонально поляризованным электромагнитным сигналам и тем, что указанные выходные сигналы, соответствующие двум ортогонально поляризованным электромагнитным сигналам, сравниваются один с другим для определения указанного параметра материала.

31. Способ по п.27, отличающийся тем, что стадия определения искомого параметра включает определение влаги в материале.

32. Способ по п.27, отличающийся тем, что включает стадию использования затухания полосы пропускания для определения плотности материала.

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18, Рисунок 19, Рисунок 20, Рисунок 21, Рисунок 22, Рисунок 23, Рисунок 24, Рисунок 25, Рисунок 26, Рисунок 27, Рисунок 28, Рисунок 29, Рисунок 30



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к молекулярной физике, преимущественно к исследованиям диэлектрических свойств разбавленных растворов дипольных веществ в недипольных растворителях

Изобретение относится к электронному приборостроению и может быть использовано для контроля и измерения диэлектрических параметров различных сред

Изобретение относится к технике измерений на сверхвысоких частотах (СВЧ) и может быть использовано для измерений свойств и параметров материалов, в частности характеристик отражения (поглощения) электромагнитной энергии

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения сплошности потоков диэлектрических неполярных и слабополярных сред, преимущественно криогенных

Изобретение относится к исследованию объектов, процессов в них, их состояний, структур с помощью КВЧ-воздействия электромагнитных излучений на физические объекты, объекты живой и неживой природы и может быть использован для исследования жидких сред, растворов, дисперсных систем, а также обнаружения особых состояний и процессов, происходящих в них, например аномалий структуры и патологии в живых объектах

Изобретение относится к области исследования свойств и контроля качества полимеров в отраслях промышленности, производящей и использующей полимерные материалы

Изобретение относится к средствам неразрушающего контроля и может использоваться для томографического исследования объектов и медицинской диагностики при различных заболеваниях человека, а также для лечения ряда заболеваний и контроля внутренних температурных градиентов в процессе гипертермии

Изобретение относится к технике измерений с помощью электромагнитных волн СВЧ диапазона и может использоваться для дефектоскопии строительных материалов различных типов с различной степенью влажности

Изобретение относится к учету и контролю качества нефти, транспортируемой по трубопроводу, позволяющее учитывать в денежном выражении качество нефти, которое при транспортировке в трубопроводе при смешении нефти, сдаваемой разными производителями, а следовательно, разного качества, приводит к изменению качественных характеристик нефти при сдаче ее потребителям

Изобретение относится к технике измерения диэлектрических свойств материалов, например влажности, и может быть использовано в сверхвысокочастотной влагометрии неводных жидкостей, например гликолей, ацетона, аминов и др
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к контролю поверхности металлических сооружений и объектов и может быть использовано для обнаружения и контроля развития дефектов на поверхностях металлических сооружений и объектов, установленных в коррозионных средах различной степени агрессивности в условиях подземного, атмосферного, морского или речного воздействия, в частности для обнаружения и контроля развития трещин на покрытых изоляций поверхностях нефте- или газопроводов

Изобретение относится к области подповерхностной радиолокации, а именно к устройствам определения расположения и формы неоднородностей и включений в строительных конструкциях и сооружениях

Изобретение относится к технике обнаружения инородных образований в почве, а конкретно мин, в частности противопехотных

Изобретение относится к системе и процессу для определения композиционного состава многокомпонентных смесей, которые являются либо неподвижными, либо текущими в трубах или трубопроводах, где компоненты имеют различные свойства полного электрического сопротивления и могут, или не могут, присутствовать в различных состояниях

Изобретение относится к системе и процессу для определения композиционного состава многокомпонентных смесей, которые являются либо неподвижными, либо текущими в трубах или трубопроводах, где компоненты имеют различные свойства полного электрического сопротивления и могут, или не могут, присутствовать в различных состояниях

 

Наверх