СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ НА СВЧ И ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ В ВИДЕ ОТКРЫТОГО ВОЛНОВОДНОГО РЕЗОНАТОРА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА Российский патент 1997 года по МПК G01N22/04 

Изобретение относится к косвенным методам измерения физических свойств и состава веществ, например влажности, с помощью электромагнитных полей диапазона СВЧ и может быть использовано для определения влажности твердых, жидких, пастообразных, сыпучих продуктов и изделий из них. Предлагаемый способ измерения может быть реализован в резонансных СВЧ-влагомерах как дискретного, так и непрерывного действия для контроля содержания влаги и регулирования технологических процессов в морской и сухопутной инженерной геологии, химической, пищевой, молочной промышленности, производстве строительных материалов. Предлагаемые чувствительные элементы в виде открытых волноводных резонаторов особенно удобны для создания резонансных датчиков влажности в тех случаях, когда нежелательно или невозможно помещение исследуемого объекта внутрь измерительной ячейки, а предпочтителен односторонний доступ к исследуемому объекту. При этом обеспечивается неразрушающий, а в ряде случаев бесконтактный контроль, не требующий предварительной подготовки образцов.

Можно считать установленным, что для тех областей техники, к которым относится предлагаемое изобретение, задача измерения влажности успешнее всего решается с помощью открытых резонаторов (ОР) в качестве чувствительных элементов (ЧЭ) резонансных датчиков СВЧ-диапазона [1] Открытым резонатором называется резонансная система, из которой часть энергии невозвратно излучается в окружающую среду в виде электромагнитного поля. Чувствительным элементом называется часть резонансного датчика, которая непосредственно взаимодействует с исследуемым объектом и определяющим образом влияет на выбор и величину информативного параметра. Волноводным открытым резонатором (ВОР) называется ОР, изготовленный из отрезка волноводной линии передачи. В зависимости от выбора базового волновода ВОР могут быть коаксиальными, цилиндрическими, прямоугольными и т.д. Резонансные свойства ВОР обеспечиваются наличием неднородностей на концах отрезка линии. В отражательном ВОР входная неоднородность образована элементом связи (петлей, штырем, диафрагмой), через который осуществляется возбуждение ВОР генератором СВЧ и передается энергия детектору СВЧ, где выделяется информативный сигнал. Неоднородность на другом торце ВОР обусловлена скачком волновых сопротивлений на границе волновод исследуемая среда.

В зависимости от формы и размеров ЧЭ, выбранной моды колебаний, величины и типа связи основные параметры ВОР резонансная частота и добротность - показывают различную чувствительность к влажности исследуемого объекта. Целью предлагаемого изобретения является выбор оптимального метода измерения и конструкции чувствительных элементов, обеспечивающих максимальную чувствительность в широких пределах изменения влажности.

Известны способы определения влажности на СВЧ, предусматривающие использование ВОР и измерение коэффициентов прохождения или отражения [2 и 3] Например, собственная частота ВОР, расположенного на некотором расстоянии от поверхности измеряемого объекта, перестраивается путем возвратно-поступательного перемещения резонатора [2] Известны также способы перестройки резонатора путем изменения во времени одного из размеров или с помощью механически перемещаемых диэлектрических управляющих элементов. При этом на детекторе СВЧ выделяются колоколообразные импульсы напряжения, размах которых пропорционален величине коэффициента отражения от резонатора, зависящей от влажности объекта. Основным недостатком этих решений является наличие электромеханического узла, усложняющего конструкцию влагомера и способ измерения.

В аналоге [3] перестройку ВОР осуществляют варакторным диодом, и регистрируют величину коэффициента отражения в момент совпадения собственной частоты резонатора с частотой возбуждающего генератора. Недостатком данного способа является невозможность осуществить частотную перестройку в широком диапазоне частот, что сужает диапазон значений влажности, доступных для измерения.

Известен способ измерения свойств материалов на СВЧ, например влажности, заключающийся в воздействии на исследуемый объект электромагнитным полем ВОР и измерении коэффициента отражения в диапазоне частот возбуждения [4] Использование измерительной линии с подвижным зондом затрудняет автоматизацию этого способа, но даже если рассмотреть упрощенные варианты, применяемые в автоматических СВЧ-влагомерах, его существенным недостатком является необходимость перестройки частоты возбуждающего генератора в широких пределах, для того чтобы зафиксировать резонансные значения коэффициента отражения при различных частотах, соответствующих различным влажностям. Кроме того, общим недостатком всех названных аналогов и прототипа является неоднозначная в общем случае зависимость величины коэффициента отражения при резонансе от влажности исследуемого объекта, что приводит к сужению диапазона иэмеряемых влажностей, так как функция преобразования влагомера монотонна в ограниченном диапазоне.

ЧЭ в виде ВОР известны из указанных выше источников информации. Наиболее близким к предлагаемым техническим решениям по совокупности признаков является прямоугольный ВОР, возбуждаемый на моде Н_10n [5] ЧЭ представляет собой отрезок прямоугольного волновода с размерами широкой стенки a, узкой b и длиной с, отделенной от возбуждающего волновода диафрагмой, а от исследуемого объекта защитной пластиной из диэлектрика. При использовании данного ЧЭ для осуществления предлагаемого способа измерения влажности не достигается максимально возможная чувствительность в широком диапазоне значений влажности.

Предлагаемый способ измерения влажности на СВЧ, заключающийся в воздействии на исследуемый объект электромагнитным полем открытого волноводного резонатора, отличается тем, что в качестве информационного параметра выбрано значение коэффициента отражения от резонатора не в момент прохождения резонансной частоты, а на фиксированной частоте, не обязательно являющейся резонансной. Эту частоту определяют заранее, исследовав частотные зависимости коэффициента отражения для нескольких образцов различной влажности. Этих образцов должно быть не менее двух, в таком случае выбирают образцы, имеющие предельные значения влажности, соответствующие конкретной поставленной задаче. Влажность образцов, используемых для выбора рабочей частоты, а также для последующей градуировки влагомера, определяют независимым методом, например термогравиметрическим, т. е. взвешиванием до и после высушивания пробы. Полученные частотные зависимости коэффициента отражения представляют собой резонансные кривые датчика с выбранным ЧЭ, которые отличаются друг от друга резонансной частотой и полушириной.

Рабочую частоту СВЧ-влагомера выбирают по результатам измерений резонансных характеристик такой, чтобы обеспечить наибольшее приращение коэффициента отражения ΔГ при изменении влажности на величину DW. Технический результат, обеспечиваемый предлагаемым изобретением повышение чувствительности DГ/ΔW,, величина которой является максимальной в широком диапазоне изменения влажности.

ΔГ = Г_max - Г_min представляет собой разность между максимальным Г_max и минимальным Г_min значениями коэффициента отражения. Г_min 0 соответствует полному согласованию резонансного датчика с возбуждающим волноводом, когда вся энергия, поступающая от генератора СВЧ на вход датчика, поглощается в ВОР. Поэтому рабочую частоту влагомера и связь ВОР с генератором выбирают такими, чтобы на одной из границ диапазона влажностей (на самом сухом или самом влажном образце) достичь согласования (Г≈0). Одновременно обеспечиваются условия для наиболее точного измерения Г. Г_max достигается на другой границе диапазона влажностей. Величина ΔГ, как правило, превышает соответствующее приращение, наблюдаемое в выбранных аналогах и прототипе, поэтому в предлагаемом способе измерения обеспечивается суммирование эффектов изменения добротности и сдвига резонансной частоты.

Кроме того, как показывает опыт, при монотонном изменении влажности как резонансная частота, так и резонансная величина коэффициента отражения для ВОР могут изменяться не монотонно, достигая экстремальных значений внутри диапазона измеряемых влажностей. Предлагаемый способ измерения обеспечивает монотонную зависимость Г(W) во всем диапазоне 0≅W≅1.

Предлагаемые варианты ЧЭ выполнены нерегулярными, что обеспечивается, например, монотонным изменением либо узкой, либо широкой стенок прямоугольного волновода. При этом увеличивается чувствительность измерения ΔГ/ΔW, улучшается электродинамический контакт рабочей поверхности ЧЭ с исследуемым объектом, уменьшается вероятность налипания исследуемого материала на рабочую поверхность ЧЭ, что улучшает его эксплуатационные характеристики.

На фиг.1 изображена типичная схема СВЧ- влагомера, в котором может быть реализован предлагаемый способ и использованы предлагаемые ЧЭ. На фиг.2 показана конструкция ВОР: 9 прототип, 10 предлагаемый по п.3, 11 - предлагаемый по п.4 формулы изобретения; на фиг.3 изображены частотные зависимости коэффициентов отражения для двух образцов влажного материала, причем влажность одного из образцов совпадает с предельным значением W 0 или W 1; на фиг. 4-6 показаны резонансные кривые в координатах КСВ-частота, полученные экспериментально с помощью ЧЭ 9, 10, 11 соответственно; на фиг.7 изображены зависимости Г(W) для прототипа и предлагаемых ЧЭ.

Предлагаемый способ измерения влажности может быть реализован в СВЧ-влагомерах, общая структурная схема которых представлена на фиг.1. Влагомер состоит из генератора 1, элемента развязки 2, разветвителя 3, элемента связи 4, ЧЭ 5, который взаимодействует с исследуемым объектом 6, и блока обработки данных 8. Генератор 1 вырабатывает стабилизированный по мощности непрерывный или импульсный сигнал СВЧ на фиксированной рабочей частоте. Элемент развязки 2, например вентиль, аттенюатор или направленный ответвитель, обеспечивает устойчивую работу генератора 1 при любых значениях Г, которые могут появиться при эксплуатации влагомера. Разветвитель 3, например циркулятор или направленный ответвитель, предназначен для передачи энергии от генератора 1 в ЧЭ 5 и от ЧЭ в детектор 7. Элемент связи 4 может иметь любую конструкцию (петля, штырь, реактивная диафрагма); при выполнении предварительной настройки он должен обеспечивать возможность изменения коэффициента связи. ЧЭ 5 представляет собой ВОР, защищенный на выходном торце диэлектрической пластиной для предотвращения попадания частиц исследуемого объекта 6 в полость ВОР, обведенные пунктиром элементы 1-5, 7 образуют датчик СВЧ, вырабатывающий электрический сигнал измерительной информации (напряжение, пропорциональное величине коэффициента отражения), поступающий на вход обработки данных 8, который преобразует его в сигнал, отображающий величину влажности.

Возможность осуществления изобретения иллюстрируется данными измерений, выполненных на растворах изопропилового спирта C₃H₇OH в воде. Влажность образцов изменяли варьированием объемного содержания компонентов:
W V_в/(V_в + V_с),
где V_в, V_с объем воды и спирта соответственно.

Значение W 0 приписывали изопропиловому спирту в состоянии поставки, W 1 соответствует чистой воде. Опыт показывает, что растворы изопропилового спирта в воде являются удобным модельным материалом для настройки и градуировки СВЧ-влагомеров, т. к. диапазон значений составляющих диэлектрической проницаемости ε′, ε″ в этих растворах близок к значениям, характерным для многих объектов влагометрии растворов, смесей, грунтов, пищевых продуктов.

В качестве примеров выполнения ЧЭ были выбраны ВОР, изготовленные на основе стандартного прямоугольного волновода 3-см диапазона сечением ахb 23х10 мм. На фиг.2 изображены ЧЭ 9 в виде регулярного ВОР и два нерегулярных ВОР ЧЭ 10 сечением, монотонно изменяющимся по размеру узкой стенки b__→b^', и ЧЭ 11 сечением, монотонно изменяющимся по размеру широкой стенки a__→a′ (b' 3 мм, a' 13 мм). Продольный размер у всех ЧЭ одинаков (С 30 мм). Перед входным фланцем ЧЭ устанавливали элемент связи в виде плоской диафрагмы. Использовали диафрагмы двух типов: индуктивные (И) и емкостные (Е). Размеры диафрагм варьировали для обеспечения различной величины коэффициента связи. Далее используются сокращенные обозначения диафрагм, например, И8 обозначает индуктивную диафрагму с размерами отверстия 10х8 мм; Е2,5 обозначает емкостную диафрагму с размерами отверстия 23х2,5 мм.

Резонансные характеристики ЧЭ строили с помощью серийного панорамного измерителя коэффициента стоячей волны (КСВ) типа Р2-61. Диафрагму связи подбирали такой, чтобы на одном из пределов диапазона измеряемых влажностей (W=0 или W=1) испытуемый ВОР был согласован. Качество согласования определяли по наименьшему значению коэффициента стоячей волны КСВ_min 1,0. Коэффициент отражения в этом случае также достигает минимального значения: Г_pmin 0. Опыт показал, что с увеличением влажности объекта добротность ВОР увеличивается, а резонансная частота имеет тенденцию к уменьшению, но эти иэменения происходят с нарушением монотонности. Поэтому способ определения влажности в широком диапазоне значений W не может быть основан на измерении только резонансной частоты или только резонансного значения коэффициента отражения Г_p.

Предлагаемый способ измерения влажности на СВЧ отличается тем, что измерение Г выполняют на фиксированной частоте, которая является резонансной только для объекта с предельным значением влажности. Практически любой ВОР, взаимодействующий с объектом произвольной влажности, может быть настроен на резонанс в режиме согласования. Это достигается выбором подходящего элемента связи.

На фиг. 3 показаны две типичные ситуации: а) согласование достигается на образце с максимальной влажностью, например W 1; б) согласование достигается на сухом образце, например W 0.

Как известно коэффициент отражения от резонатора на произвольной частоте f можно вычислить по формуле (для квадратичного детектора):

где b = Q_o/Q_вн коэффициент связи;
α = 2Δf Q_н/f обобщенная расстройка;
1/Q_н (1/Q_о)+(1/Q_вн);
Q_о, Q_вн, Q_н собственная, внешняя и нагруженная добротности соответственно;
f частота возбуждения;
Δf = f - f_p разность между частотой возбуждения и резонансной частотой резонатора f_р.

Минимальная величина коэффициента отражения, Г 0, достигается на резонансной частоте при согласовании резонатора с возбуждающим генератором, т.е. при β = 1, α = 0.

Коэффициент отражения при резонансе Г_р, т.е. в способе-прототипе, когда либо генератор, либо резонатор подстраивают, чтобы скомпенсировать сдвиг резонансной частоты, вызванный изменением влажности объекта, также можно вычислить по формуле (1) при α = 0, т.к. 4β(1 = β)² ≅ 1, а величина α достигает для ВОР нескольких единиц, то при любой влажности Г_р <Г и DГ_p < ΔГ как видно на фиг.3.

На фиг. 4-6 показаны полученные экспериментально резонансные кривые для ЧЭ 9, 10 и 11 соответственно. Каждый ЧЭ подбором диафрагм связи настраивали на согласование при W 1 (чистая вода, сплошные кривые) и W 0 (изопропиловый спирт, пунктирные кривые). Числа около резонансных кривых показывают влажность растворов (W 0, 0,25, 0,5, 0,75, 1,00). Числа около вертикальных линий показывают тип диафрагмы и значения рабочей частоты. выбранной в результате испытаний ЧЭ. Измерив КСВ на рабочей частоте для каждого раствора, вычислили величину Г по формуле

На фиг.7 показаны зависимости Г(W) для каждого ЧЭ при двух настройках на резонанс при минимальной и максимальной влажности. Видно, что получаемые по предлагаемому способу функции преобразования СВЧ-влагомера в координатах Г(W) имеют вид монотонных возрастающих или падающих кривых, причем вторые более линейны.

Результаты настройки и испытаний предлагаемых способа и ЧЭ показывают, что чувствительность измерения влажности по предлагаемому способу в два раза превышает чувствительность, обеспечиваемую способом прототипом; чувствительность измерения с ЧЭ, предлагаемыми по пп. 3, 4 формулы изобретения, превышает чувствительность, обеспечиваемую ЧЭ-прототипом; использование ЧЭ, предлагаемого по п. 4 формулы изобретения, по сравнению с ЧЭ-прототипом вместе с увеличением чувствительности позволяет снизить требования к частотной стабильности генератора СВЧ на порядок величины.

Предлагаемый способ измерения влажности реализован в двух экспериментальных образцах СВЧ- влагомера для морских донных осадков с падающей и возрастающей функциями преобразования (СВР-6 и СВР-6М), прошедших испытания и метрологическую аттестацию и показавших погрешность измерения не более 0,5% в диапазоне влажности объектов от 0,15 до 0,80.

Изобретение относится к косвенным методам контроля физических свойств и состава веществ и может быть использовано в СВЧ-влагомерах дискретного и непрерывного действия в условиях одностороннего доступа к объекту. Способ измерения влажности на СВЧ заключается в воздействии на исследуемый объект электромагнитным полем чувствительного элемента в виде открытого волноводного резонатора, измерения коэффициента отражения и определения зависимости между влажностью и коэффициентом отражения, при этом измерение осуществляют на фиксированных частоте и коэффициенте связи резонатора с генератором, частоту выбирают совпадающей с резонансной и связь устанавливают критической для резонатора, нагруженного на объект с минимальным или максимальным значением влажности. Чувствительный элемент в виде открытого волновода резонатора для осуществления способа выполнен нерегулярным путем уменьшения вдоль направлений распространения размера узкой стенки прямоугольного волновода или его широкой стенки 2с. и 2 з. п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ измерения влажности на СВЧ, заключающийся в воздействии на исследуемый объект электромагнитным полем чувствительного элемента в виде открытого волноводного резонатора, измерении коэффициента отражения и определении величины влажности по заранее построенной зависимости между влажностью и коэффициентом отражения, отличающийся тем, что измерение осуществляют на фиксированных частоте и коэффициенте связи с генератором, причем частоту выбирают совпадающей с резонансной и связь устанавливают критической для резонатора, нагруженного на объект с минимальным или максимальным значением влажности. 2. Чувствительный элемент в виде открытого волноводного резонатора для осуществления способа по п.1, отличающийся тем, что он выполнен нерегулярным. 3. Элемент по п.2, отличающийся тем, что нерегулярность резонатора обеспечена уменьшением размера узкой стенки прямоугольного волновода вдоль направления распространения. 4. Элемент по п.2, отличающийся тем, что нерегулярность волновода обеспечена уменьшением размера широкой стенки прямоугольного волновода вдоль направления распространения.