Волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости жидких сред по критической длине волны

Изобретение относится к способам измерения диэлектрической проницаемости и удельной проводимости жидких дисперсных систем и может быть использовано для контроля и регулирования величин диэлектрической проницаемости и удельной проводимости пожаро-взрывоопасных и агрессивных жидких сред в процессе их производства в химической и других областях промышленности. Техническим результатом является повышение точности измерения диэлектрической проницаемости диэлектрических гетерогенных жидких сред по моменту изменения режима работы линии передачи и отсутствия гальванического контакта с измеряемой средой, а также минимизация габаритов и массы измерителя. Указанный технический результат достигается за счет того, что в волноводной линии передачи, с помощью генератора СВЧ на длине волны генератора λ_г, возбуждают основную волну Н₁₁ и устанавливают в линии передачи режим бегущих волн, изменяют длину волны генератора λ_г до момента отсутствия в волноводной линии передачи бегущей волны и рассчитывают действительную часть диэлектрической проницаемости ε′. 1 ил.

 

Изобретение относится к способам измерения диэлектрической проницаемости и удельной проводимости жидких дисперсных систем и может быть использовано для контроля и регулирования величин диэлектрической проницаемости и удельной проводимости пожаро-взрывоопасных и агрессивных жидких сред в процессе их производства в химической и других областях промышленности.

Известен способ определения диэлектрической проницаемости для исследования жидкостей с большим поглощением [W.A.Heston, E.J.Henellv, C.P.Smyth, Абсорбция СВЧ и молекулярная структура жидкостей, Journ. Amer. Chem. Soc., 1948, 70, N 12, 4093-4097], включающий помещение жидкости в секцию волновода, отделенную от воздушной части измерительной установки тонкой слюдяной пластинкой. В жидкость помещен свободно перемещающийся поршень, которым устанавливают высоту столба жидкости. В непосредственной близости к слюдяной перегородке расположен направленный ответвитель, регистрирующий отраженную волну. Путем перемещения поршня от слюдяной пластинки вверх индикатором регистрируют минимумы и максимумы отраженной волны. Максимальные показания соответствуют толщине слоя жидкости, когда отраженные волны от верхней и нижней его поверхности совпадают по фазе. Далее регистрируют высоту столба жидкости, когда амплитуда осцилляции отраженной волны пропадает, стремясь к некоторому постоянному значению, и определяют величину диэлектрической проницаемости.

Недостатками способа является непосредственное помещение жидкости в полость волновода (гальванический контакт), малая точность и технологические трудности измерения величины диэлектрической проницаемости, невозможность исследования жидкостей с малыми потерями.

Известен также способ измерения величины диэлектрической проницаемости ε, основанный на распространении волны вдоль диэлектрического стержня [С.М.Mckinney, D.M.Duff, Метод измерения диэлектрической постоянной твердых тел на СВЧ, Rev. Sci. Instr., 1954, 25, N 9б 925-926]. В диэлектрическом стержне, на конце которого расположен металлический экран, возбуждается медленная поверхностная волна. Устанавливается режим стоячих волн и индикатором вдоль диэлектрического волновода определяется длина волны в нем. По соотношению длин волн генератора и диэлектрического волновода определяется величина диэлектрической проницаемости жидкости.

Недостатками метода является высокая погрешность измерений из-за трудно учитываемого излучения, отсутствие возможности измерения диэлектрической проницаемости ε жидких сред, а также не учитываются потери при измерении величины ε.

Известен СВЧ способ бесконтактного определения диэлектрической проницаемости и удельной электропроводности жидких сред [Патент РФ №2194270, МКл.⁶ G01N 22/04, опубл. 10.12.02., бюл №34], заключающийся в создании режима бегущих волн вдоль волновода поверхностных волн в виде круглого диэлектрического трубопровода, заполненного исследуемой проточной немагнитной жидкостью, обладающей диэлектрической проницаемостью ε и удельной проводимостью γ, измеряют затухание поля поверхностной медленной волны в нормальной и горизонтальной плоскостях относительно направления ее распространения и по рассчитанным значениям коэффициентов затухания поля в нормальной плоскости судят о величине диэлектрической проницаемости ε, а по коэффициенту затухания поля вдоль направления распространения волны судят о величине удельной проводимости γ.

Недостатками данного способа являются низкая точность определения диэлектрической проницаемости (действительной ее части) из-за трудно учитываемых потерь во внешнем электромагнитном поле, отсутствие электромагнитного экрана.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности измерения диэлектрической проницаемости диэлектрических гетерогенных жидких сред по моменту изменения режима работы линии передачи и отсутствия гальванического контакта с измеряемой средой, а также минимизация габаритов и массы измерителя.

Сущность волноводного СВЧ способа измерения диэлектрической проницаемости жидких сред по критической длине волны состоит в том, что в волноводной линии передачи СВЧ диапазона, состоящей из последовательно соединенных с помощью плавных переходов трех секций круглого металлического волновода различного диаметра, причем крайние секции волновода имеют одинаковый диаметр d₁, а средняя - меньшего диаметра d₂, с расположенным в ней диэлектрическим сосудом с исследуемой жидкостью, с помощью генератора СВЧ на длине волны генератора λ_г, выбираемой из условия единственности существования основной волны Н₁₁ и отсутствия ближайшей моды E₀₁ в круглом волноводе, т.е

3,41a₂>λ_г>2,61а₂,

где - радиус средней секции металлического волновода,

возбуждают основную волну Н₁₁ и устанавливают в линии передачи режим бегущих волн;

изменяют длину волны генератора λ_г до момента отсутствия в волноводной линии передачи бегущей волны (момента «отсечки») и рассчитывают действительную часть диэлектрической проницаемости ε′ по формуле

Сущность СВЧ способа измерения диэлектрической проницаемости по критической длине волны поясняется следующим.

На чертеже показана схема реализации волноводного СВЧ способа измерения диэлектрической проницаемости жидких сред по критической длине волны. Схема включает в себя волноводную линию передачи 1, состоящую из последовательно соединенных с помощью плавных переходов 2 трех секций круглого металлического волновода различного диаметра, причем крайние секции волновода имеют одинаковый диаметр d₁, а средняя - меньшего диаметра d₂, диэлектрический сосуд 3 с исследуемой жидкостью с диэлектрической проницаемостью ε и магнитной проницаемостью μ=1, устройств ввода 4 и вывода 5 жидкости, приемных вибраторов 6 B₁ и В₂, расположенных вдоль волноводной линии передачи на расстоянии ΔZ перед диэлектрическим сосудом с исследуемой жидкостью и после него.

Способ осуществляется следующим образом. В волноводной линии передачи, состоящей из последовательно соединенных с помощью плавных переходов трех секций круглого металлического волновода различного диаметра с помощью генератора СВЧ на длине волны генератора λ_г, выбираемой из условия единственности существования основной волны H₁₁ и отсутствия ближайшей моды E₀₁:

3,41а₂>λ_г>2,61а₂,

где - радиус средней секции металлического волновода,

возбуждают основную волну Н₁₁ и устанавливают в линии передачи режим бегущих волн.

Условие распространения любой моды в круглом металлическом волноводе радиусом "а" [Марков Г.Т. и др. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Сов. Радио, 1979] следующее:

λ_г<λ_кр,

или

где Х_mn и ξ_mn - n-й корень функции Бесселя или ее производной соответственно для волн электрического (Е-волны) или магнитного (Н-волны) типа. В круглом металлическом волноводе основной волной является волна Н₁₁, для основной моды Н₁₁: и «ближайшей» моды E₀₁: .

Очевидно, что для частично заполненного волновода критическая длина волны будет зависеть не только от геометрических параметров волноводной системы и порядка моды, но и от электрофизических свойств материала, заполняющего волновод, таких как диэлектрическая и магнитная проницаемости (их действительная часть):

где и - средние параметры по зоне взаимодействия, которые определяются методом эквивалентных реактивностей [Федюнин, П.А. СВЧ методы и устройства измерения электрофизических параметров жидких диэлектриков с потерями: Дис. ... канд. техн. наук. М.: МГУИЭ, 1997. - 230 с.].

Для основной моды Н₁₁ возможен выбор радиуса "а" для реализации одномодового режима без высших мод («ближайшей» высшей модой является мода E₀₁), например, при условии :

3,41a>λ_г>2,61a

или в общем случае:

Волноводная линия передачи на базе круглого металлического волновода радиусом a₁ имеет согласованную с основной линией передачи вставку в виде круглого металлического волновода меньшего радиуса a₂.

В секции волновода диаметром d₂ расположен диэлектрический сосуд с исследуемой жидкостью с диэлектрической проницаемостью и магнитной проницаемостью μ=1.

Толщина стенок Δ диэлектрического сосуда значительно меньше его радиуса и имеет постоянные значения, тогда становится практически несущественным отношение величины диэлектрической проницаемости жидкости ε к диэлектрической проницаемости диэлектрического материала ε_д, из которого изготовлен трубопровод, - ε/ε_д. Сосуд изготавливается из радиопрозрачного материала (ε_д≈1), поэтому влиянием сосуда можно пренебречь.

Величина диэлектрической проницаемости жидкости практически лежит в пределах 2...15 для разных случаев. Для согласования с полем бегущей электромагнитной волны торцевые стенки диэлектрического сосуда имеют конусообразную форму.

Жидкость в диэлектрический сосуд вводится с помощью устройства ввода жидкости 4 и выводится с помощью устройства вывода жидкости 5.

С помощью приемных вибраторов 6 - B₁ и В₂, расположенных в секциях круглом металлическом волноводе диаметром d₁ на расстоянии ΔZ перед диэлектрическим сосудом и после него, измеряют напряженности электрического поля в волноводной линии передачи перед волноводной вставкой с исследуемой жидкостью - Е₁ и после нее - Е₂.

Известно, что затухания в металлическом волноводе, вызванные потерей энергии волны в диэлектрике, заполняющем волновод, пропорциональны омическим потерям γ_ом [Федоров Н.Н. Основы электродинамики. - М.: Высшая школа, 1980, с.399], по величине которых можно определить мнимую часть диэлектрической проницаемости.

Таким образом, по значениям напряженностей электрического поля Е₁ и Е₂ вычисляют значение коэффициента затухания поля вдоль волноводной линии передачи - α_Z:

и определяют мнимую часть диэлектрической проницаемости ε″ из формулы:

где k - коэффициент пропорциональности.

Изменяют (увеличивают) длину волны генератора λ_г до момента отсутствия в волноводной линии передачи бегущей волны.

Условия отсутствия сквозной бегущей волны в волноводе следующие:

3,41a₁>λ_г>2,61а₁;

где - радиус крайней секции металлического волновода.

Рассчитывают действительную часть диэлектрической проницаемости ε′ по формуле:

Предложенный способ позволяет повысить точность измерения диэлектрической проницаемости диэлектрических гетерогенных жидких сред по моменту изменения режима работы линии передачи и отсутствия гальванического контакта с измеряемой средой, а также позволяет минимизировать габариты и массу измерителя.

Способ может быть осуществлен известными техническими средствами.

Волноводный СВЧ-способ измерения диэлектрической проницаемости жидких сред по критической длине волны, заключающийся в помещении исследуемого материала в высокочастотное электромагнитное поле и последующей регистрации изменения параметров, характеризующих высокочастотное излучение, отличающийся тем, что в волноводной линии передачи СВЧ-диапазона, состоящей из последовательно соединенных с помощью плавных переходов трех секций круглого металлического волновода различного диаметра, причем крайние секции волновода имеют одинаковый диаметр d₁, а средняя - меньшего диаметра d₂, с расположенным в ней диэлектрическим сосудом с исследуемой жидкостью, с помощью генератора СВЧ на длине волны генератора λ_г, выбираемой из условия единственности существования основной волны Н₁₁ и отсутствия ближайшей моды E₀₁ в круглом волноводе:

3,14a₂>λ_Г>2,61a₂,

где - радиус средней секции металлического волновода, возбуждают основную волну Н₁₁ и устанавливают в линии передачи режим бегущих волн;

изменяют длину волны генератора λ_г до момента отсутствия в волноводной линии передачи бегущей волны (момента «отсечки») и рассчитывают действительную часть диэлектрической проницаемости ε′ по формуле