УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ Российский патент 1999 года по МПК G01N22/04 

Предлагаемое устройство относится к СВЧ измерительной технике и может быть использовано для экспресс-контроля влажности материала и строительных изделий.

Известно устройство для измерения влажности (см. книгу Бензарь В.К.. Техника СВЧ-влагометрии. Минск. : 1974, с.223), которое содержит генератор СВЧ-излучения, аттенюатор, двойной волноводный тройник, эталонное плечо, детекторную секцию, приемопередающую антенну и усилитель низкой частоты с индикатором.

Известно, что диэлектрические характеристики (ε′ и ε″) воды и влажности материалов, содержащих свободную воду, изменяются с изменением температуры ввиду особенностей атомно-молекулярного строения H₂O и, в первую очередь, наличия дипольной релаксации в диапазоне сверхвысоких частот, то есть ε^* = f(W%, T^oC).

Работа известного устройства основана на изменении сигнала разбаланса СВЧ-моста в зависимости от влажности материала.

СВЧ-энергия от СВЧ-генератора через вентиль подается на одно из плеч двойного волноводного тройника, где делится пополам и поступает в приемоперадающую антенну и в опорное плечо, включающее аттенюатор и короткозамыкающий поршень. Отраженная СВЧ-энергия от приемопередающей антенны и образца поступает в третье плечо тройника и далее на детекторную секцию, электрически связанную с измерительным усилителем.

Перед измерением влажности испытываемого материала система должна быть настроена с помощью опорного плеча (аттенюатора и короткозамыкающего поршня) на эталонный образец, который может менять свойства в зависимости от множества параметров окружающей его среды.

Недостатком известного устройства является большой разброс показаний прибора из-за зависимости показаний индикатора от температуры контролируемого объекта, зависимости показаний индикатора от колебаний подающей мощности СВЧ-излучения и от изменения характеристики диода детекторной секции, зависимости показаний индикатора от изменения коэффициента отражения от границы контролируемого изделия вследствие изменения фазы коэффициента отражения от контролируемого образца.

Техническая задача заключается в повышении точности измерения влажности изделий и конструкций из них при одностороннем доступе к объекту контроля и упрощении способа изменения за счет исключения дополнительной настройки на эталонный образец.

Поставленная задача решается таким образом, что в устройстве для измерения влажности, содержащем последовательно соединенные СВЧ-генератор, вентиль-фланец и настраиваемый элемент, соединенный с приемопередающей антенной и детекторной секцией с измерительным усилителем, согласно изобретению настраиваемый элемент содержит волноводный циркулятор, волноводный трансформатор и дополнительный вентиль-фланец, при этом волноводный циркулятор соединен через дополнительный вентиль-фланец с детекторной секцией, а через волноводный трансформатор с приемопередающей антенной, причем СВЧ-генератор выполнен с перестраиваемой частотой, а приемопередающая антенна - с раскрывом, заполненным диэлектриком.

Предлагаемое устройство отличается тем, что настраиваемый элемент содержит волноводный циркулятор, волноводный трансформатор и два развязывающих вентиля-фланца, а СВЧ-генератор имеет перестраиваемую частоту, при этом антенна выполнена с раскрывом, заполненным диэлектриком.

Такая схема позволяет исключить изменение влажности эталонного образца, так как перед непосредственным измерением влажности материала частоту СВЧ-генератора изменяют до нулевого показания измерительного усилителя. Это дает возможность исключить погрешность, связанную с изменчивостью свойств материала под воздействием окружающей среды при настройке на эталонный образец.

Устройство для измерения влажности (см. чертеж) состоит из соединенного с источником питания 1 перестраиваемого по частоте СВЧ-генератора 2. СВЧ-генератор 2 через развязывающий вентиль-фланец 3 соединен с одним из плеч волноводного циркулятора 4. Второе плечо волноводного циркулятора 4 соединено с трехштыревым волноводным трансформатором 5, который соединен с приемоизлучающей антенной 6, раскрыв 7 которой заполнен диэлектриком 8. Третье плечо волноводного циркулятора 4 через развязывающий вентиль-фланец 9 соединено с детекторной секцией 10, которая электрически связана с измерительным усилителем 11.

Устройство работает следующим образом. СВЧ-энергия от СВЧ-генератора 2 через вентиль-фланец 3 поступает в одно плечо волноводного циркулятора 4, далее через волноводный трансформатор 5 - в приемопередающую антенну 6. Отражаясь от раскрыва приемнопередающей антенны 6, СВЧ-энергия поступает в третье плечо волноводного циркулятора 4 и через развязывающий вентиль-фланец 9 на детекторную секцию 10 и измерительный усилитель 11. Перед измерением влажности контрольного объекта 12 с помощью перестройки частоты СВЧ-генератора 2 и настройки волноводного трансформатора 5 волноводная схема настраивается таким образом, что отраженная от приемопередающей антенны СВЧ-энергия при отсутствии объекта контроля компенсируется по амплитуде и фазе энергией, отраженной от волноводного трансформатора, и, вследствие этого, не поступает в третье плечо циркулятора. Таким образом, сигнал на детекторной секции, соединенной через вентиль-фланец с циркулятором, при отсутствии объекта контроля равняется нулю.

Величина отраженного сигнала зависит от степени влажности объекта и носит практически нелинейный характер. Градуировочная зависимость предлагаемого устройства в данном случае будет зависеть только от изменения коэффициента отражения от объекта контроля и практически не зависит от других факторов.

Устройство для измерения влажности содержит последовательно соединенные СВЧ-генератор, вентиль-фланец и настраиваемый элемент, соединенный с приемопередающей антенной и детекторной секцией с измерительным усилителем, при этом настраиваемый элемент содержит волноводный циркулятор, волноводный трансформатор и дополнительный вентиль-фланец, волноводный циркулятор соединен через дополнительный вентиль-фланец с детекторной секцией, а через волноводный трансформатор с приемопередающей антенной, причем генератор выполнен с перестраиваемой частотой, а приемопередающая антенна - с раскрывом, заполненным диэлектриком. Перед измерением влажности объекта настраивают на ноль сигнал на детекторной секции при помощи перестройки частоты генератора и настройки волноводного трансформатора, затем производят измерение влажности материала объекта путем непосредственного контакта антенны с объектом. Технический результат заключается в повышении точности измерения при одностороннем доступе к объекту контроля и упрощении измерений за счет исключения дополнительной настройки на эталонный образец. 1 ил.

Устройство для измерения влажности, содержащее последовательно соединенные СВЧ-генератор, вентиль-фланец и настраиваемый элемент, соединенный с приемопередающей антенной и детекторной секцией с измерительным усилителем, отличающееся тем, что настраиваемый элемент содержит волноводный циркулятор, волноводный трансформатор и дополнительный вентиль-фланец, при этом волноводный циркулятор соединен через дополнительный вентиль-фланец с детекторной секцией, а через волноводный трансформатор с приемопередающей антенной, причем генератор выполнен с перестраиваемой частотой, а приемопередающая антенна - с раскрывом, заполненным диэлектриком.