СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ЖИДКИХ СРЕД НА СВЧ Российский патент 2003 года по МПК G01R27/26 G01N22/00 

Изобретение относится к области измерительной техники изоляционных материалов, в частности к способам измерения диэлектрической проницаемости.

Ближайшими аналогами предлагаемого способа измерения являются резонансные методы измерения диэлектрической проницаемости в соответствии с ГОСТ 27496.2-87, с. 16-21.

Особые преимущества этих методов на СВЧ по сравнению с другими, как указано в ГОСТе, определяются возможностью реализовать высокую добротность Q.

Высокая добротность обеспечивает возможность измерения низких значений тангенса угла диэлектрических потерь и высокую разрешающую способность метода по относительной диэлектрической проницаемости ε:

где - разрешающая способность,
δf_мин - минимальное отклонение частоты,
f_ε - резонансная частота с диэлектриком,
- отношение резонансного напряжения U_P к напряжению U, соответствующему минимальному отклонению от резонанса.

При
При
Таким образом, разрешающая способность резонансного метода целиком определяется добротностью резонатора, нагруженного измеряемым материалом.

Однако высокая добротность в этом случае может быть реализована лишь для диэлектрических сред, обладающих малым тангенсом угла диэлектрических потерь.

Большинство твердых и жидких диэлектрических материалов этому требованию не удовлетворяет, особенно с учетом наличия в них различных примесей.

Проблема обеспечения высокой разрешающей способности для материалов, не отвечающих требованию малых диэлектрических потерь, решается в фазовом методе измерения диэлектрической проницаемости на СВЧ [2, 3].

Простейший вариант структурной схемы фазового метода изображен на фиг.1.

Измерение комплексной диэлектрической проницаемости в фазовом методе происходит путем сравнения измеряемого материала с эталонным.

Измеряемый материал помещается в измерительный тракт 4; с помощью фазовращателя 2 и аттенюатора 3 устанавливаются фаза и амплитуда сигнала, соответствующие эталонному материалу. По изменению фазы Δφ на фазовращателе и величине диэлектрической проницаемости эталонного материала ε_ЭT определяется диэлектрическая проницаемость измеряемого материала ε.

где n_ε - электрическая длина измерительного тракта, заполненного измеряемым материалом,
δn_ε - изменение электрической длины по сравнению с эталонным материалом.

Разрешающая способность определяется соотношением

то есть разрешающая способность тем выше, чем больше электрическая длина измерительного тракта с измеряемым материалом. Так, например, при минимальном изменении электрической длины

Однако существенной проблемой для этого метода является необходимость подбора эталонного материала. Требования к этому подбору тем выше, чем больше электрическая длина измерительного тракта, так как допустимая величина отклонения от эталона не должна превышать

Это обусловлено периодическим характером фазовых характеристик.

Таким образом, при больших n_ε, требуемых для высокой разрешающей способности, подбор необходимого эталонного материала в большинстве случаев не удается реализовать, в особенности для жидких материалов, например, нефтепродуктов, органических соединений и т.д.

Предлагаемый способ измерения диэлектрической проницаемости распространяется на жидкие материалы и, в какой-то мере, может быть использован для сыпучих материалов.

Предлагаемый способ измерения относительной диэлектрической проницаемости ε жидких сред на СВЧ основан на измерении положения минимума напряжения стоячей волны в длинной линии. При этом используется зависимость электрической длины линии от ε, которая выводится из известных соотношений, связывающих ε с постоянными распространения электромагнитных волн в диэлектрическом материале [1].

Существенное отличие предлагаемого способа состоит в том, что измеряют изменение электрической длины при заполнении измерительного тракта испытуемой жидкостью или освобождении от нее. При этом определяют число полуволн N, характеризующее изменение электрической длины, и частоту f₁, соответствующую минимуму напряжения стоячей волны в заполненном измерительном тракте, ближайшую (в сторону уменьшения) от частоты, соответствующей минимуму стоячей волны в пустом измерительном тракте. На фиг.2 представлен простейший вариант структурной схемы, в которой реализуется предлагаемый способ измерения ε.
В качестве источника сигнала используется перестраиваемый по частоте СВЧ генератор 1 с измерителем частоты 2.

Сигнал через циркулятор 3 поступает в измерительный тракт 5, который представляет собой длинную линию, закороченную с одного конца.

Во входной части измерительного тракта расположен зонд, через который с помощью детекторной головки 6 снимается сигнал, пропорциональный квадрату напряжения стоячей волны, и фиксируется на индикаторе 7.

Число импульсов, соответствующих прохождению сигнала через минимум стоячей волны, фиксируется визуально или с помощью счетчика импульсов 8.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

С помощью генератора и измерителя частоты устанавливается частота f₀, соответствующая минимуму напряжения стоячей волны в пустом измерительном тракте. Затем измерительный тракт заполняют испытуемой жидкостью. Заполнение производится вдоль оси распространения электромагнитных волн. После заполнения измерительного тракта испытуемой жидкостью частота f уменьшается относительно f₀ и устанавливается частота f₁, ближайшая к f₀, соответствующая минимальному напряжению стоячей волны.

В процессе заполнения или освобождения измерительного тракта от испытуемой жидкости происходит изменение электрической длины тракта, что приводит к периодическому прохождению через зонд минимального напряжения стоячей волны.

Количество прошедших минимумов N характеризует изменение электрической длины и измеряется визуально или с помощью цифрового индикатора.

Скорость заполнения определяется инерционностью счетчика. Поэтому при использовании электронных счетчиков скорость заполнения тракта жидким диэлектриком практически не ограничена.

Второй вариант реализации предложенного способа представлен в структурной схеме на фиг.3.

В отличие от первого варианта здесь добавляются второй генератор 2, смеситель 3 и измеритель разности частот 4.

Вместо частоты f₁, соответствующей минимуму напряжения стоячей волны в заполненном волноводе, измеряется разность частот δf=f₀-f₁, соответствующих минимуму напряжения стоячих волн в пустом и заполненном волноводе.

Величина ε определяется из соотношений, учитывающих тип используемого измерительного тракта, и варианта предлагаемого способа.

Для коаксиального тракта: в первом варианте

во втором варианте

для волновода: в первом варианте

во втором варианте

где f₀ - частота, соответствующая минимуму напряжения стоячей волны в пустом измерительном тракте;
n₀ - число полуволн на частоте f₀ в свободном пространстве с геометрической длиной, равной длине измерительного тракта l₀, соответствующей расстоянию от зонда до короткозамкнутого конца тракта;
λ₀ - длина волны в свободном пространстве на частоте f₀;
а - размер поперечного сечения волновода.

Все указанные параметры при выбранной конструкции измерительного тракта и фиксированном диапазоне частот являются постоянными величинами, не зависящими от свойств измеряемых материалов.

Указанные соотношения выводятся из фундаментального уравнения для относительной диэлектрической проницаемости ε [1]:

где β и α - постоянные распространения;
λ_c - критическая длина волны используемого тракта.

Второй вариант предлагаемого способа обладает более высокой разрешающей способностью за счет большей точности отсчета разности частот.

Однако он в связи с усложнением структурной схемы является более дорогим.

Поэтому вопрос о выборе варианта решается в зависимости от конкретных требований.

При проверке предлагаемого способа в качестве испытуемой жидкости использовался толуол. Поверка проводилась по первому варианту в соответствии со структурной схемой фиг.2. Функции генератора и измерителя частоты выполнял стандартный генератор типа Г4-83. Использовался волноводный циркулятор сечением 23 х 10 с согласованной коаксиальной нагрузкой (КСВН≤1,4), подключенной к выходу циркулятора через стандартный волноводно-коаксиальный переход.

Измерительный тракт представлял собой волновод сечением 23 х 10, закороченный с одного конца. Вблизи другого конца расположен зонд, с которого с помощью детекторной головки снимается сигнал, пропорциональный напряжению стоячей волны. В детекторной головке используется диод типа Д405. В качестве индикатора используется вольтметр типа В7-27А/1. Расстояние между зондом и короткозамкнутым концом волновода соответствует l₀= 18,38 см. На таком расстоянии на частоте f₀=9792 МГц, соответствующей длине волны в свободном пространстве λ₀= 3,0637 см, укладывается n₀=12 полуволн. Число полуволн N, соответствующее изменению электрической длины при заполнении или освобождении измерительного тракта от толуола, определялось визуально и соответствовало N=8.

Ближайшая от f₀ частота, соответствующая минимуму напряжения стоячей волны, после заполнения измерительного тракта толуолом составляла f₁=9401 МГц.

Подставляя данные, обуславливаемые конструкцией измерительного тракта, f₀= 9792 МГц, λ₀=3,0637 см, n₀=12, 2а=4,6 см и измеренные N=8, f₁=9401 МГц в соотношении (6) получим

Измерения проводились при температуре t=25^oC. При указанной температуре согласно справочным данным [4] значение ε для толуола составляет 2,379.

Основными преимуществами предлагаемого способа являются измерение относительной диэлектрической проницаемости с высокой разрешающей способностью и устранение необходимости использования эталонных материалов.

Литература
1. Материалы электроизоляционные. Методы определения диэлектрических свойств на частотах свыше 300 МГц. ГОСТ 27496.1-87, с.4-5, ГОСТ 27496.2-87, с.16-21.

2. Валитов Г.А., Сретенский В.Н. Радиоизмерения на сверхвысоких частотах. - ВИ МО СССР, Москва, 1958.

3. Гвоздев В. Н. , Новдальский В.А., Линев А.А. Измерительная техника, 1996, 4.

4. Гороновский И.Т. и др. Краткий справочник по химии. - Киев: "Наукова Думка", 1974.

Изобретение относится к области измерительной техники на СВЧ. Предлагаемый способ измерения относительной диэлектрической проницаемости ε жидких сред на СВЧ основан на измерении положения минимума напряжения стоячей волны в длинной линии. При этом используется зависимость электрической длины линии от ε. Измеряют изменение электрической длины при заполнении измерительного тракта испытуемой жидкостью или освобождении от нее. При этом определяют число полуволн N, характеризующее изменение электрической длины, и частоту f₁, соответствующую минимуму напряжения стоячей волны в заполненном измерительном тракте, ближайшую в сторону уменьшения от частоты, соответствующей минимуму стоячей волны в пустом измерительном тракте. Техническим результатом является повышение разрешающей способности при проведении измерений жидких или сыпучих диэлектрических материалов. 3 ил.

Способ измерения относительной диэлектрической проницаемости жидких сред на СВЧ, основанный на измерении положения минимума стоячей волны в измерительном тракте, отличающийся тем, что измеряют изменение электрической длины измерительного тракта непосредственно в процессе его заполнения испытуемой жидкостью или освобождения от нее, при этом определяют число полуволн, характеризующее изменение электрической длины, и частоту, соответствующую минимуму напряжения стоячей волны в заполненном измерительном тракте и ближайшую в сторону уменьшения от частоты, соответствующей минимуму стоячей волны в пустом измерительном тракте.