СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ НА СВЧ Российский патент 1994 года по МПК G01N22/04 

Изобретение относится к исследованию физических свойств и состава вещества с помощью электромагнитных волн диапазона СВЧ и может быть использовано для определения влажности различных материалов.

Цель изобретения - повышение чувствительности и расширение диапазонов определяемых значений влажности.

На фиг. 1 показаны графики зависимости коэффициента стоячей волныρ при резонансе от влажности W для различных видов связи резонатора с измерительной схемой; на фиг. 2 - зависимость разности двух измеренных значений коэффициента стоячей волны ρ₁ - ρ₂ от влажности W.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Исследуемый объект приводят во взаимодействие с электромагнитным полем резонатора, изготовляемого, например, из отрезка стандартного волновода, закрытого на торце диэлектрической заглушкой, а сам резонатор возбуждают через диафрагму с заданным знаком реактивности, например индуктивную. Измеряют величину затухания А₁. Затем возбуждают резонатор через диафрагму с противоположным знаком реактивности, например емкостную, и измеряют величину затухания А₂. Вычисляют разность А₁-А₂ и по известной зависимости А₁-А₂ = f(W) определяют величину W. Эта зависимость представляет собой градуировочную таблицу или кривую, построенную заранее путем измерения затухания в образцах, влажность которых определена прямым измерением.

П р и м е р. При помощи панорамного измерителя КСВН типа Р2-61 измеряли резонансные характеристики прямоугольного резонатора размерами 23х10х115мм, изготовленного из стандартного волновода 3-см диапазона. Резонатор возбуждали через индуктивные или емкостные диафрагмы различной ширины, расположенные на входном фланце резонатора. Выходной торец резонатора, защищенный фторопластовой заглушкой толщиной 3 мм, приводили в контакт с исследуемыми образцами - растворами изопропилового спирта С₃Н₈О в воде различной концентрации. Раствор наливали в полиэтиленовую кювету глубиной 50 мм. В качестве характеристики затухания использовали величину коэффициента стоячей волны при резонансе. Измерения выполняли на образцах с объемной влажностью растворов W = 0; 0,25; 0,50; 0,75; 1,00 (W = V_B/V, где V_B, V - объем воды и раствора соответственно).

Результаты измерений показаны на фиг. 1. Возле кривых обозначены тип и ширина используемых диафрагм; например И 8 - индуктивная диафрагма размерами 8х10 мм, Е 4 - емкостная диафрагма размерами 4х23 мм и т. д.

Опыт показал, что при возбуждении через индуктивную и емкостную диафрагмы в резонаторе возбуждаются моды типа Н₁₀, отличающиеся резонансными частотами и характером распределения электромагнитного поля (в дальнейшем моды, возбуждаемые с помощью индуктивной диафрагмы, обозначаются индексом 1, а моды, возбуждаемые через емкостную диафрагму, индексом 2); с увеличением влажности собственная добротность Q_o всех мод увеличивается; с увеличением ширины диафрагмы внешняя добротность Q_вн уменьшается; для индуктивных диафрагм И 10, И 8 и И 7 коэффициент связи β= Q_o/Qвн не превышает единицы, и для И 10 β₁ ->1 при W ->1. Для емкостных диафрагм Е 6, Е 4 β₂ > 1 и приближается к единице для Е 4 при W->0. Поэтому для индуктивных диафрагм с увеличением влажности коэффициент стоячей волны ρ₁ при резонансе уменьшается, достигая единицы на верхнем пределе влажности ( ρ= 1 при W = 1, И 10). Для емкостных диафрагм с увеличением влажности ρ₂ увеличивается ( ρ₂ = 1 при W = 0, Е 4).

Для сравнения приведены зависимости ρ(W) для диафрагм И 12 и Е 1,5, которые показывают, что режим критической связи ( β= 1) достигается для различных дифрагм при различной влажности ( ρ₁ = 1 при W = = 0,25, И 12; ρ₂ = 1 при W = 0,50, Е 1, 5).

Любую из монотонных кривых И 10, И 8, И 7, Е 6, Е 4 можно использовать для определения влажности W, однако полный интервал определяемых с достаточной точностью значений влажности 0 ≅W≅1 охватывается только с диафрагмами И 10 и Е 4, у которых ρ₂ = 1 при W = 0 и ρ₁ = 1 при W = 1.

Кривые Е 2,5 и Е 1,5 на фиг. 1 не могут быть использованы для определения влажности W, так как они немонотонны.

Можно показать, что абсолютная погрешность измерения коэффициента стоячей воды определяется формулой
Δρ = (ΔU/2 U(ρ+1)⁴+(ρ²-1) где ΔU - погрешность измерения напряжения;
U_пад - напряжение падающей волны. Из этой формулы видно, что чем больше ρ, тем больше и погрешность. Поэтому измерение затухания выполняется наиболее точно в режимах, близких к согласованию ( ρ= 1).

Таким образом, выбор элементов связи, удовлетворяющих условиям расширения пределов диапазона измерений и увеличения чувствительности (в данном примере диафрагм И 10 и Е 4) способствует достижению целей изобретения.

Градуировочные кривые И 10 и Е 4 (как, впрочем, и любые функции преобразования СВЧ влагомеров, действие которых основано на измерении затухания) нелинейны, и чувствительность Δρ/Δ W уменьшается с приближением к границам интервала измерений.

Поставленная цель изобретения достигается измерением коэффициента стоячей волны на двух модах при возбуждении резонатора через индуктивную И 10 ( ρ₁) и емкостную Е 4 ( ρ₂) диафрагмы и вычитанием полученных величин. На фиг. 2 показана зависимость разности ( ρ₁ - ρ₂) от W, а в таблице указаны достигаемые чувствительности при пользовании всеми тремя градуировочными кривыми.

Видно, что зависимость ( ρ₁ -ρ₂) = f(W) более линейна, чем первичные зависимости ρ₁ = f(W) и ρ₂ = f(W), и обеспечивает увеличение чувствительности до 5 раз.

Способ определения влажности может быть реализован в СВЧ-влагомерах различной конструкции (например, как в прототипе) или в схеме, подобной панорамному измерителю). (56) Верлинер М. А. Измерение влажности. М. : Энергия, 1973.

Кондратьев Е. Ф. , Слободяник В. М. , Тродмянов М. Е. и др. Измерение влажности на СВЧ методом прохождения через резонанс. Калининград: Калининградский университет, 1986, с. 47, Деп. в ВИНИТИ 01.12.86, N 8101-1386.

Использование: для исследования физических свойств и состава, например, влажности вещества с помощью электромагнитных волн диапазона СВЧ, Сущность изобретения: способ предусматривает воздействие на исследуемый объект электромагнитным полем резонатора и измерение затухания в резонаторе, причем резонатор возбуждают поочередно на двух резонансных модах, измеряют затухание A₁ и A₂ на этих модах, находят разность полученных величин A₁-A₂ и по заранее построенной градуированной зависимости (A₁-A₂)=f(W) определяют влажность. Возбуждение резонансных мод осуществляется с помощью элементов связи с различным знаком реактивности, коэффициенты связи удовлетворяют условию меньше или равно 1, больше или равно 1, причем на границах диапазона определяемых значений влажности β₁=1 , β₂=1 . 2 ил.

1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ НА СВЧ, заключающийся в размещении исследуемого объекта в электромагнитном поле резонатора и измерении затухания в резонаторе, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и расширения диапазона определяемых значений влажности, резонатор возбуждают поочередно на двух резонансных модах, измеряют затухание A₁ и A₂ в резонаторе на этих модах и по зависимости (A₁ - A₂) = f(W) определяют влажность. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что резонансные моды возбуждают с помощью элементов связи с разным знаком реактивности. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, величину коэффициентов связи элементов связи выбирают из условий β₁ ≅ 1 , β₂ ≥ 1, во всем диапазоне значений W и β₁ = 1 на верхнем пределе, β₂ = 1 на нижнем пределе определяемых значений влажности.