СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ НА СВЧ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК G01N22/04 

Изобретение относится к косвенным методам измерения физических свойств и состава веществ и материалов, например, влажности, с помощью электромагнитных полей диапазона СВЧ и может быть использовано для контроля содержания влаги и регулирования технологических процессов в различных отраслях промышленности и научных исследованиях. Предлагаемый амплитудно-фазовый способ обеспечивает высокую чувствительность измерения в широком диапазоне значений влажности.

В СВЧ влагометрии сложилось направление, основанное на измерении амплитуды электрического сигнала U, выделяющегося на детекторе, связанном с резонаторным датчиком, нагруженным на исследуемый объект (среду или образец, влажность которого требуется определить). Если предварительно найдена с помощью эталонов (т. е. образцов с известной влажностью) однозначная зависимость U(W), называемая функцией преобразования, то сигнал U можно считать мерой влажности W.

Способы-аналоги измерения влажности на СВЧ, описанные в [1] предполагают измерение электрического сигнала U на детекторе, включенном в волноводную линию между элементами развязки и измерительным резонатором. Сигнал U может быть получен либо перестройкой частоты генератора, либо изменением резонансной частоты резонатора. Требование перестройки обусловливает недостатки аналогов, т.к. для их осуществления необходимы либо генератор качающейся частоты, либо резонатор с устройствами, обеспечивающими возможность изменения резонансной частоты в широком интервале значений (аналоги).

Наиболее близким к изобретению является способ измерения влажности на СВЧ, заключающийся в воздействии на исследуемый объект электромагнитным полем открытого резонатора на фиксированной частоте, измерении электрического сигнала на детекторе, подключенном к линии передачи, соединяющей генератор и резонатор, и определении величины влажности по предварительно найденной с помощью эталонов зависимости между влажностью и электрическим сигналом [2] Резонатор периодически поступательно перемещают относительно исследуемого объекта, чем обеспечивают частотную перестройку, а электрический сигнал измеряют в момент совпадения резонансной частоты с частотой генератора. Преимущество способа-прототипа заключается в возможности использования высокостабильного по частоте генератора и простой схемы регистрации сигнала. Недостаток прототипа заключается в том, что измеряемый сигнал зависит только от амплитуды поглощения электромагнитной волны в образце, а информация об изменении фазы отраженной волны теряется, в результате чего чувствительность измерения не достигает максимально возможной величины. Кроме того, наличие механического устройства усложняет влагомер и снижает надежность (прототип).

Предлагаемые способы измерения влажности, заключающиеся в воздействии на исследуемый объект электромагнитным полем открытого волноводного резонатора СВЧ на фиксированной частоте и измерении электрического сигнала, выделяемого на детекторе, подключенном к передающей линии, соединяющей генератор и резонатор, отличаются тем, что с целью увеличения динамического диапазона измеряемого электрического сигнала за счет сложения эффектов изменения амплитуды и фазы стоячей электромагнитной волны, рабочую частоту выбирают совпадающей с резонансной для резонатора, нагруженного на объект с предельным (максимальным или минимальным) значением влажности, связь резонатора с линией для этого объекта устанавливают критической, а детектор подключают к такой точке передающей линии, в которой расположен минимум электрической составляющей стоячей волны для резонатора, нагруженного на объект с влажностью, равной другому предельному значению.

Вариант способа измерения влажности на СВЧ отличается от описанных тем, что с целью увеличения динамического диапазона электрического сигнала, рабочую частоту выбирают совпадающей с резонансной для резонатора, нагруженного на объект со средним значением влажности, связь резонатора с линией на этом значении влажности устанавливают критической, а детектор подключают к такой точке передающей линии, которая совпадает с положением минимума электрической составляющей стоячей волны для резонатора, нагруженного на объект с предельным (максимальным или минимальным) значением влажности.

Следующий вариант способа измерения влажности на СВЧ отличается тем, что с целью получения электрического сигнала, используемого для автоматической калибровки влагомера, детектор дополнительно подключают к такой точке передающей линии, в которой этот сигнал не зависит от величины влажности, и используют его в качестве внутреннего эталона.

Предлагаемые способы измерения влажности базируются на результатах исследования авторами свойств открытых волноводных резонаторов. Некоторые из этих результатов представлены ниже в качестве подтверждения возможности осуществления изобретения.

На фиг. 1 дана структурная схема датчика СВЧ: на фиг. 2, 3 и 4 приведены данные измерения напряжения U на детекторе измерительной линии, соединяющей элемент развязки с чувствительным элементом (ЧЭ) в виде открытого волноводного резонатора (ОВР), как функции от координаты z вдоль линии. Фиг. 5 показывает функции преобразования U(W) для различных вариантов измерения.

Предлагаемые способы измерения влажности могут быть реализованы с помощью датчиков, общая структурная схема которых изображена на фиг. 1. Датчик содержит генератор 1, элемент развязки 2, передающую линию 3, к которой с помощью переключателя 4 подключен детектор 5. Передающая линия 3 через переход и элемент связи соединена с ЧЭ в виде ОВР, нагруженным на исследуемый объект. Линия 3 может быть выполнена как волноводной, так и микрополосковой, а детектор 5 (и дополнительные детекторы) могут подключаться к различным точкам линии 3 либо смонтированы в требуемых точках волновода. Электрический сигнал U, снимаемый с детектора 5, служит мерой влажности W исследуемого объекта.

Опыт показывает, что изменение влажности исследуемого объекта приводит к изменению резонансной частоты и добротности ОВР. Поэтому для того, чтобы осуществить требуемую для реализации предлагаемых способов измерения влажности предварительную настройку датчика, имея генератор, работающий на фиксированной стабилизированной частоте, нужно обеспечить возможность подстройки собственной частоты и коэффициента связи ОВР в некоторых пределах. В описанных ниже опытах рабочая частота генератора 1 была стабилизирована диэлектрическим резонатором и составляла 10,538 ГГц. Использовали нерегулярный ОВР на базе отрезка прямоугольного волновода с входным сечением 23х10 и выходным 23х3 мм. ОВР отделен от исследуемой среды фторопластовой защитной заглушкой, установленной на выходном торце (см. напр. [1]). Резонансную частоту подстраивали изменением длины резонатора с помощью фланцевых прокладок, ввозимых между диафрагмой и входным фланцем резонатора. Приведенные ниже данные получены на трех резонаторах, имеющих длину 37, 33,8 и 33 мм. В качестве элементов связи использовали индуктивные диафрагмы шириной 12, 11 и 14 мм соответственно (И12, И11, И14).

Картины стоячих волн (фиг. 2-4) получены с помощью схемы фиг. 1, где в качестве линии передачи 3 использовали волноводную измерительную линию типа Р1-28, к выходному фланцу которой подключали названные ЧЭ.

На фиг. 2 показана зависимость напряжения U, снимаемого с детектора измерительной линии, от положения зонда z для ОВР длиной 37 мм с индуктивной диафрагмой И12. Числа около кривых, изображающих стоячую волну, обозначают объемную влажность W модельных растворов изопропилового спирта (C₃H₇OH) в воде:
W=V_в/(V_в+V_с), (1)
где V_в, V_с объем воды и спирта соответственно.

Видно, что ОВР согласован на спирте (W=0), а увеличение содержания воды в растворе приводит к увеличению модуля коэффициента отражения и небольшому изменению его фазы Φ.

На фиг. 3 показаны картины стоячих волн для ОВР длиной 33,8 мм с диафрагмой И11. Видно, что ОВР близок к согласованию при больших влажностях (W≅1), и уменьшение влажности вызывает увеличение и монотонное изменение фазы Φ..

На фиг. 4 приведены распределения напряжения стоячих волн для ОВР длиной 33 мм с диафрагмой И14. Видно, что ОВР близок к согласованию при средней величине влажности (W 0,5), изменение влажности как в сторону нижнего предела (W 0), так и в сторону верхнего (W 1) вызывают увеличение При этом сдвиг фазы Φ коэффициента отражения при переходе от средней влажности к предельным значениям происходит в противоположных направлениях, о чем свидетельствует положение узлов и пучностей стоячей волны. При достижении предельных значений влажности пучности и узлы стоячей волны меняются местами. Такая зависимость от влажности W приводит к тому, что в передающей линии существует точка, в которой напряжение не зависит от влажности (точка z₃ на фиг. 4).

Как известно, напряжение U на квадратичном детекторе измерительной линии зависит от коэффициента отражения нагрузки и координаты z следующим образом (см. напр.[3, с. 185]):

где U₀ напряжение падающей волны.

Картины стоячих волн, показанные на фиг. 2-4, типичны для многих резонансных ЧЭ, взаимодействующих с влажным объектами. Количественные результаты соответствуют формуле (2), с учетом зависимости от комплексной диэлектрической проницаемости исследуемой среды и характеристик объемных резонаторов, у которых связь с питающей линией СВЧ близка к критической (см. напр. [4, с. 245, фиг. 5,3,6.).

Данные, приведенные на фиг. 2-4, иллюстрируют варианты предлагаемых способов измерения.

Если в датчике, настроенном так, как это было сделано при получении результатов, показанных на фиг. 2, детектор подключить в точке z=20,5 мм, где расположен минимум электрической составляющей стоячей волны, то напряжение U будет монотонно уменьшаться с увеличением влажности W (способ по п. 1 формулы изобретения).

Если в датчике, на котором получены результаты, показанные на фиг. 3, подключить детектор в точку z=18 мм, то U будет монотонно увеличиваться с увеличением влажности W (способ по п. 2 формулы).

Если подключить детектор к точкам, в которых расположены минимумы электрической составляющей стоячей волны на предельных значениях влажности (z₁ при W= 1 или z₂ при W=0 на фиг. 4), то напряжения U, снимаемые с детектора, будут монотонной функцией W (способ по п. 3).

Влагомеры, в которых реализуются способы измерения по п.п. 1-3 формулы изобретения, требуют периодической поверки и калибровки с помощью внешнего эталона, т.е. объекта с известной влажностью. Таким эталоном может быть, например, вода (W=1).

Способ измерения по п. 4, когда в точке z₃ (фиг. 4) подключают дополнительный детектор, сигнал на котором U₃ не зависит от влажности, не требует внешнего эталона, т.к. сигнал U₃ может быть использован для контроля и калибровки влагомера в качестве внутреннего эталона. Это преимущество особенно важно для влагомеров непрерывного действия, когда нет возможности воспользоваться внешним эталоном.

Для того, чтобы сравнить достоинства и недостатки предлагаемых способов измерения влажности, на фиг. 5 показаны функции преобразования в координатах U/U₀ W, где U₀ напряжение падающей волны (влажность W выражена в). Кривые 1 и 2 построены для способов по п.п. 1 и 2, реализуемых с помощью описанных выше ОВР длиной 37 мм с диафрагмой И12 и 33,8 мм с диафрагмой И11, настроенных на согласование на нижнем (W=0) и на верхнем (W=1) пределах влажности соответственно. Кривая 3 (U U₃)/U₃ W построена для способа по п. 4 (U₃ U₀). Видно, что динамический диапазон изменения относительного напряжения при измерении способом по п. 4 более чем в два раза превышает динамический диапазон, достигаемый способами по п. п. 1, 2 для одного и того же диапазона влажностей. Кривая 3 демонстрирует еще одно важное преимущество способа измерения по п. 4, заключающееся в том, что функция преобразования проходит через ноль при среднем значении влажности, на которое был настроен ЧЭ, что обеспечивает возможность оптимального сопряжения СВЧ влагомера с устройствами регулирования влажности в непрерывных технологических процессах.

Источники информации
1. Кондратьев Е. Ф. Михальцевич В.Т. Слободяник В.М. и др. Резонансный метод измерения влажности на сверхвысоких частотах. Дефектоскопия, 1988, N 5, с. 59-63 (аналоги).

2. А.с. 654886 СССР, кл. G 01 N 23/24. Сверхвысокочастотный резонансный влагомер / Ю. А. Скрипник, А. И. Лавриненко, Р.Т. Франко и др. (СССР). N 2487435/18-09; Заявлено 19.03.77; Опубл. 30.03.79, Бюл. N 12 (прототип).

3. Лебедев И. В. Техника и приборы СВЧ. В 2-х т. /Под ред. акад. Н.Д. Девяткова. т. 1. М. Высшая школа, 1970, 439 с.

4. Альтман Дж. Устройства СВЧ. М. Мир, 1968, 487 с.

Относится к косвенным методам измерения физических свойств и состава веществ и материалов с помощью электромагнитных полей диапазона СВЧ. Способ измерения влажности на СВЧ представлен вариантами, основанными на измерении электрического сигнала на детекторе, подключаемом к различным точкам передающей линии, соединяющей элемент развязки с чувствительным элементом датчика. 3 с. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ измерения влажности на СВЧ, заключающийся в воздействии на исследуемый объект электромагнитным полем открытого волноводного резонатора на фиксированной частоте, измерении электрического сигнала на детекторе, подключенном к линии передачи, соединяющей генератор и резонатор, и определении величины влажности по предварительно найденной с помощью эталонов зависимости между влажностью и электрическим сигналом, отличающийся тем, что частоту выбирают совпадающей с резонансной для резонатора, нагруженного на объект с минимальным значением влажности, связь резонатора с линией для данного объекта устанавливают критической, предварительно нагружают резонатор на объект с максимальным значением влажности, находят положение точки минимума электрической составляющей стоячей волны, и детектор подключают к этой точке. 2. Способ измерения влажности на СВЧ, заключающийся в воздействии на исследуемый объект электромагнитным полем открытого волноводного резонатора на фиксированной частоте, измерении электрического сигнала на детекторе, подключенном к линии передачи, соединяющей генератор и резонатор, и определении величины влажности по предварительно найденной с помощью эталонов зависимости между влажностью и электрическим сигналом, отличающийся тем, что частоту выбирают совпадающей с резонансной для резонатора, нагруженного на объект с максимальным значением влажности, связь резонатора с линией для данного объекта устанавливают критической, предварительно нагружают резонатор на объект с минимальным значением влажности, находят положение точки минимума электрической составляющей стоячей волны, и детектор подключают к этой точке. 3. Способ измерения влажности на СВЧ, заключающийся в воздействии на исследуемый объект электромагнитным полем открытого волноводного резонатора на фиксированной частоте, измерении электрического сигнала на детекторе, подключенном к линии передачи, соединяющей генератор и резонатор, и определении величины влажности по предварительно найденной с помощью эталонов зависимости между влажностью и электрическим сигналом, отличающийся тем, что частоту выбирают совпадающей с резонансной для резонатора, нагруженного на объект со средним значением влажности, связь резонатора с линией для данного объекта устанавливают критической, предварительно нагружают резонатор на объект с предельным значением влажности, находят положение точки минимума электрической составляющей стоячей волны, и детектор подключают к этой точке. 4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что дополнительно находят положение другой точки, отстоящей от минимума электрической составляющей на расстоянии, равном 1/8 длины волны, такой, что электрический сигнал на втором детекторе, подключенном к этой точке, не зависит от влажности, подключают детектор к этой точке, измеряют сигнал на этом детекторе и используют его в качестве внутреннего эталона.