СВЧ-СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ ВЛАЖНОСТИ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ, ВЛАЖНОСТИ ПО ОБЪЕМУ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ, НОРМАЛЬНОГО К ПОВЕРХНОСТИ ГРАДИЕНТА ВЛАЖНОСТИ, И УСТРОЙСТВО ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2007 года по МПК G01N22/04 

Изобретение относится к способам определения влажности твердых материалов и может быть использовано в строительстве, в химической и других отраслях промышленности.

Известен резонаторный способ (например, см. Берлинер М.А. Измерение влажности. - М.: Энергия, 1973) измерения влажности твердых материалов, заключающийся в помещении в полость объемного резонатора (ОР) исследуемого твердого образца строгой формы и размера. По изменению выходных величин первичного измерительного преобразования (ПИП) ОР, а именно резонансной частоте Δf=f-f₀ и добротности ΔQ=Q-Q₀ (f₀ и Q₀ - значения собственных (ненагруженных) параметров резонатора) определяют влажность исследуемого материала.

Устройство, реализующее данный способ (см. Берлинер М.А. Измерение влажности. - М.: Энергия, 1973), содержит генератор СВЧ, ПИП в виде цилиндрического ОР и измерительное устройство, позволяющее измерять резонансную частоту ОР.

Недостатками способа и реализующего его устройства являются: возможность исследования образцов только определенной формы и размеров, что не позволяет контролировать влажность изделий больших размеров; по существу способ является разрушающим, т.к. требует изготовления образца строгой формы и размера, который помещается в полость ОР; необходимость в настройке при изменении геометрических размеров ОР или волновода, вызванных изменением температуры окружающей среды; сложность процесса, а в некоторых случаях и невозможность непрерывных измерений влажности; возможность вырождения колебаний, вызывающих дополнительную погрешность, а применение поляризационных фильтров вырождения колебаний снижает добротность основного типа колебания и усложняет конструкцию ПИЛ.

Известен СВЧ-способ определения влажности твердых образцов (см. например, Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник / Под. ред. В.В.Клюева. - М.: Машиностроение, 1995. - 488 с.), основанный на измерении в свободном пространстве затухания или фазового сдвига проходящей волны, при этом контролируемый материал помещают в пространстве между передающей и приемными антеннами. Мерой влажности исследуемого материала является ослабление мощности прошедшего сигнала в децибелах или изменение его фазы.

Устройство, реализующее данный способ (см. например, Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник / Под. ред. В.В.Клюева. - М.: Машиностроение, 1995. - 488 с.) состоит из двух частей: приемно-измерительного тракта, включающего в свой состав приемную рупорную антенну, аттенюатор, детектор СВЧ сигнала, усилительный блок и измерительное устройство, и передающего тракта: передающая рупорная антенна с клистронным генератором СВЧ, блок питания, вентиль и устройство управления аттенюатором.

В качестве недостатков способа и реализующего его устройства следует отметить то, что точность измерений в данном случае зависит от толщины исследуемого образца и плотности материала, кроме того, данному способу присуща низкая чувствительность и сложность определения влажности малой массы; большое рассеивание СВЧ-энергии; сложная аппаратная реализация (наличие вентилей, циркуляторов, амплитудного или фазового детектора); зависимость точности измерения влажности от температуры; необходимость обеспечения постоянного расстояния между приемной и передающей антеннами; узкий диапазон измерения влажности.

Известен СВЧ-способ определения влажности твердых материалов (см. Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник / Под. ред. В.В.Клюева. - М.: Машиностроение, 1995. - 488 с.), основанный на принципе измерения волновых характеристик отраженной электромагнитной волны при измерении влажности материала.

Устройство, реализующее данный способ (см. Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник / Под. ред. В.В.Клюева. - М.: Машиностроение, 1995. - 488 с.), содержит двойной волноводный тройник, в Н или Е плечо которого включен генератор СВЧ через развязывающий вентиль и переменный аттенюатор с короткозамыкателем. Отраженный от исследуемого материала сигнал сравнивается в волноводном тройнике по фазе с сигналом от аттенюатора с короткозамыкателем. Результирующий сигнал, пропорциональный влажности материала, детектируется и регистрируется с помощью индикатора.

Способ и реализующее его устройство обладают такими недостатками, как отсутствие интегральной оценки влажности для материалов большой толщины, при измерениях влажности необходимо учитывать многократные отражения от задней поверхности образца, на результат измерений влияют состояние и характер отражающих поверхностей, большое паразитное излучение мощности СВЧ-сигнала, сложность реализации способа.

За прототип принят СВЧ-способ определения влажности твердых материалов по углу Брюстера (например, см. Берлинер М.А. Измерение влажности. - М.: Энергия, 1973), заключающийся в нахождении угла падения, которому соответствует минимум отраженной горизонтально-поляризованной электромагнитной волны от плоской поверхности образца.

Устройство-прототип, реализующее данный способ (см. Берлинер М.А. Измерение влажности. - М.: Энергия, 1973), включает в себя генератор СВЧ, направленный ответвитель, передающую антенну, приемную антенну, детектор СВЧ, усилитель и индикаторное устройство.

Недостатками способа и реализующего его устройства являются зависимость точности измерений от толщины исследуемого образца, возможность исследования только поверхностного слоя материала, что не позволяет получить информацию об его интегральной влажности, зависимость точности измерений от состояния и характера отражающих поверхностей, низкая точность измерений больших значений влажности, большое рассеивание СВЧ-энергии и низкая точность определения угла Брюстера.

Технический результат изобретения заключается в увеличении чувствительности, повышении точности измерения влажности поверхностного слоя W_П, расширении функциональных возможностей за счет дополнительного определения интегральной влажности W по объему взаимодействия и среднего градиента изменения влажности по нормали к поверхности внутри материала, а также уменьшении паразитного СВЧ-излучения.

Данный результат достигается тем, что в СВЧ-способе определения влажности твердых материалов по углу Брюстера, заключающемся в помещении исследуемого материала в высокочастотное электромагнитное поле с последующей регистрацией изменения параметров, характеризующих высокочастотное излучение, с помощью устройства возбуждения электромагнитных волн, представляющего собой сферическую двухповерхностную антенну с кольцевой переменно-фазной многощелевой апертурой с электронно-управляемой диаграммой направленности, на длине волны генератора λ_г возбуждают электромагнитную волну, падающую на диэлектрический материал под углом Θ_ГЛ, изменяют угол наклона диаграммы направленности излучающей апертуры путем варьирования длины волны генератора СВЧ до момента, при котором наблюдается минимум мощности отраженной волны в замкнутом объеме приемной части антенны, определяют длину волны генератора СВЧ λ_гБр и рассчитывают угол Брюстера

где Θ_гл - угол наклона диаграммы направленности главного лепестка в начальный момент времени при λ_г,

ΔΘ_±- отклонение максимума диаграммы направленности (ДН) от угла наклона Θ_гл, определяемое по величине длины волны генератора СВЧ λ_гБр из формулы

где а - расстояние между верхней и нижней стенками переменнофазной многощелевой излучающей апертуры, d₂ - величина противофазного шага; затем рассчитывают величину влажности поверхностного слоя W_п, решая систему уравнений:

где - диэлектрическая проницаемость свободной влаги ( с учетом частотной дисперсии);

- диэлектрическая проницаемость "сухого" материала:

ε₀ - диэлектрическая проницаемость обезвоженного материала;

ε_В - диэлектрическая проницаемость связанной воды (4,5-5,8);

W₀ - объемное количество влажности, определяемое связанной влагой обезвоженного материала;

далее стабилизируют мощность преломленной волны Р_{преломл} по цепи обратной связи путем изменения мощности падающей волны, измеряют температуру T₁ внутри объема антенны на поверхности материала, переводят генератор СВЧ в режим генерирования радиоимпульсов постоянной длительности τ_и, амплитуды А_m и частоты повторения F_т и производят отсчет числа видеоимпульсов, при достижении заданной температуры Т₂ фиксируют число N генерируемых видеоимпульсов и определяют величину влажности W в объеме материала из соотношения:

где K_N - коэффициент пропорциональности, зависящий от числа видеоимпульсов;

по измеренным величинам влажности поверхностного слоя W_п и влажности W в объеме материала рассчитывают эквивалентную глубину проникновения l_э:

где ε''(W)=K₁·W - мнимая часть комплексной диэлектрической проницаемости исследуемого материала, зависящая от влажности W в объеме материала, K₁ - коэффициент пропорциональности;

и определяют средний градиент изменения влажности по нормали к поверхности материала по формуле:

Устройство, реализующее предложенный способ, содержащее генератор СВЧ и детектор СВЧ, дополнительно содержит Е или Н плоскостной волноводный Y-циркулятор, во входное плечо которого включены блок генератора управляемого напряжением (ГУН) на лампе обратной волны типа "0" (ЛОВ "0") с выходной мощностью 100 Вт в непрерывном режиме и работающий в частотном диапазоне (5,5...6,5) ГГц, с диапазоном управляемой девиации частоты Δf_д≤0,5 ГГц, кроме того, включает аттенюатор на подмагниченном феррите, управляемый микропроцессором, СВЧ термисторный ваттметр с выходом через УПТ и АЦП на микропроцессорное устройство для управления и стабилизации выходной мощностью, диодный импульсный модулятор и генератор видеоимпульсов, управляемый микропроцессором, пиковый детектор, в первое выходное плечо Y-циркулятора включена поглощающая согласованная нагрузка, а во второе выходное плечо включена сферическая двухповерхностная антенна с щелевой противофазной апертурой с внутренним объемом, к которой подключен СВЧ термисторный ваттметр, сопряженный с экстремальным цифровым регулятором поиска и индикации минимума мощности отраженной волны по управляемой величине напряжения на втором аноде ЛОВ "0", резонаторный датчик волномера, управляемый микропроцессорный блок питания генератора СВЧ на ЛОВ "0", счетчик видеоимпульсов (ВИ), сопряженный с цифровым волномером, блок термопар, сопряженный через ФНЧ, УПТ и АЦП с микропроцессорным устройством.

Сущность неразрушающего СВЧ-способа измерения влажности твердых материалов по объему взаимодействия, ее градиента и устройство его реализации заключается в следующем.

С помощью генератора СВЧ с управляемой длиной волны λ_г электромагнитная волна поступает на специальную излучающую систему в виде сферической двухповерхностной антенны с внутренним объемом с кольцевой переменно-фазной многощелевой апертурой, угол наклона максимума диаграммы направленности (ДН) Θ_ГЛ которой зависит от величины длины волны λ_г возбуждающих СВЧ-колебаний.

Известно (см. Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов. Под ред. Д.И. Воскресенского. - М.: Сов. Радио, 1972), что изменение положения максимума ДН, т.е. ее отклонение от величины угла ДН главного лепестка Θ_гл на величину ΔΘ±, можно добиться электронным сканированием луча, изменяя величину длины волны λ_г ГСВЧ. Следовательно, варьируя длину волны λ_г генератора СВЧ-колебаний можно изменить угол наклона диаграммы направленности излучающей апертуры и добиться минимума мощности отраженной волны в приемной части комплексной апертуры. Угол наклона максимума ДН излучающей апертуры, при котором наблюдается эффект максимального поглощения падающей электромагнитной волны, будет равен углу Брюстера Θ_Бр.

Угол Брюстера связан с длиной волны λ_г генератора СВЧ и конструктивными параметрами предлагаемой кольцевой переменно-фазовой многощелевой излучающей антенны и равен

где Θ_гл - угол наклона диаграммы направленности главного лепестка в начальный момент времени при λ_г,

ΔΘ_± - угол отклонения максимума ДН от угла наклона Θ_гл, определяемый по величине длины волны генератора СВЧ λ_гБр, при которой наблюдается эффект максимального поглощения падающей волны, т.е. соответствующей углу Брюстера, из формулы

где а - размер широкой стенки кольцевого волновода с переменно-фазным расположением щелей многощелевой излучающей апертуры, d₂ - величина противофазного шага.

Действительная часть комплексной диэлектрической проницаемости ε' при условии что ее мнимая часть не равна нулю ε''(W)≠0, является мерой влажности поверхностного слоя W_п материала и связана с углом Брюстера соотношением (см. Берлинер М.А. Измерение влажности в диапазоне СВЧ. - М.: Энергия, 1973 г.):

где - величина относительной диэлектрической проницаемости двухкомпонентной смеси (строительный материал со связанной влагой - неструктурированная (свободная) влага), определяемая по формуле Лихтенекера:

где - диэлектрическая проницаемость свободной влаги ( с учетом частотной дисперсии);

- диэлектрическая проницаемость "сухого" (со связанной влагой) материала, причем величина определяется по обобщенной формуле Рейнольдса и Хью:

ε₀ - диэлектрическая проницаемость обезвоженного строительного материала;

ε_B - диэлектрическая проницаемость связанной воды (4,5-5,8) инвариантна изменению длины волны генератора λ_г и температуры Т°С.

Таким образом, решая систему уравнений (1), (2), (3) и (4), находят по измеренной длине волны λ_г генератора СВЧ величину поверхностной влажности W_п материала.

Обеспечив максимум попадания энергии падающей волны в исследуемый материал, т.е. максимум мощности преломленной Р_прелом волны, и приводя этот уровень к номиналу, измеряют температуру T₁ внутри объема антенны на поверхности материала и переводят генератор СВЧ в режим генерирования радиоимпульсов постоянной длительности τ_и, амплитуды А_m и частоты повторения f_т._{Одновременно начинают производить отсчет числа генерируемых видеоимпульсов. При достижении заданной температуры Т2 поверхности материала фиксируют число N генерируемых видеоимпульсов и определяют величину влажности W в объеме материала из соотношения:}

где K_N - коэффициент пропорциональности, зависящий от числа видеоимпульсов.

По измеренным величинам влажности поверхностного слоя W_п и влажности W в объеме материала рассчитывают эквивалентную глубину проникновения l_э по формуле:

где ε''(W)=K₁·W - мнимая часть комплексной диэлектрической проницаемости исследуемого материала, зависящая от влажности W в объеме материала, K₁ - коэффициент пропорциональности.

Далее определяют средний градиент изменения влажности по нормали к поверхности внутри материала:

Схема устройства, реализующего предлагаемый способ, показана на фиг.1, где цифрами обозначены следующие блоки: 1 - блок генератора, управляемого напряжением (ГУН) на лампе обратной волны (ЛОВ) "0" "Шеелит" и УВ-40: Р_вых≅100 Вт в непрерывном режиме, (f_min...f_max)∈(5,5...6,5) ГГц, Δf_д≤0,5 ГГц - диапазон управляемой девиации частоты; 2 - управляемый микропроцессором (МП) аттенюатор на подмагниченном феррите; 3 - СВЧ термисторный ваттметр с выходом через УПТ и АЦП на МП (через МП осуществляется управление и стабилизация выходной мощностью генератора СВЧ Р_вых); 4 - диодный импульсный модулятор; 5 - генератор видеоимпульсов, управляемый микропроцессором; 6 - пиковый детектор; 7 - волноводный Y - циркулятор; 8 - поглощающая согласованная нагрузка; 9 - сферическая двухповерхностная антенна с внутренним объемом с кольцевой переменно-фазной многощелевой апертурой; 10 - СВЧ термисторный ваттметр; 11 - экстремальный цифровой регулятор поиска и индикации минимума мощности отраженной волны Р_отр по управляемой величине напряжения на втором аноде ЛОВ "0" 1 (Е_A2-Кл 5); 12 - управляемый микропроцессорный блок питания для 1 (УБП); 13 - счетчик ВИ, сопряженный с цифровым волномером 14; 15 - резонаторный датчик волномера; 16 - микропроцессор; 17 - блок термопар (ТП); 18 - персональный компьютер.

С помощью кольцевой переменно-фазной многощелевой апертуры сферической двухповерхностной антенны 9, возбуждают электромагнитную волну мощностью Р_пад, падающую на диэлектрический материал. Излучающая антенна питается от генератора СВЧ 1 на ЛОВ типа "O" через управляемый аттенюатор 2, диодный импульсный модулятор 4 и развязывающее устройство на базе Н-плоскостного волноводного Y-циркулятора 7.

Излучающая антенна представляет из себя сферическую двухповерхностную антенну, представленную на фиг.2, где цифрами обозначены: 19 - круглый волновод; 20 - радиопрозрачный материал; 21 - апертурный преобразователь с излучающими переменно-фазными щелевыми антеннами; 10 - СВЧ термисторный ваттметр; 22 - держатель сферической антенны, выполненный из поглощающего материала, полностью изолирующий излучающую апертуру от внешнего пространства; 17 - термопарный преобразователь (блок термопар); 23 - замкнутый внутренний объем; 24- плоскость материала; 25 - верхняя поверхность "объемного" волновода; 26 - нижняя поверхность "объемного" волновода.

Излучающая сферическая двухповерхностная антенна имеет замкнутый внутренний объем 23, где расположен СВЧ термисторный ваттметр 10. Постоянство расстояния между верхней 25 и нижней 26 поверхностями "объемного" волновода обеспечивается держателями из радиопрозрачного материала 20.

Принцип неразрушающего контроля позволяет максимально приблизить апертурный преобразователь 21 (фиг.2) к плоскости материала 24, обеспечивая минимум облучения окружающей среды. Полностью исключить паразитное СВЧ-излучение позволяет держатель 22 сферической антенны, выполненный из поглощающего материала и полностью изолирующий излучающую апертуру от внешнего пространства. Контакт с поверхностью исследуемого материала имеют держатель 22 сферической антенны и термопарный преобразователь 17 (батарея термопар).

Конструкция и геометрические параметры кольцевой переменно-фазовой многощелевой излучающей антенны показаны на фиг.3, где введены следующие обозначения: 27 - внутренняя излучающая щель; 21 - апертурный преобразователь с излучающими переменно-фазными щелевыми антеннами; 24 - плоскость материала; 28 - диаграмма направленности (ДН) одной щели; 29 - Θ_гл - угол наклона диаграммы направленности главного лепестка в начальный момент времени при λ_г одной щели; 30 - средняя линия апертурного преобразователя; 31-2 ΔΘ_0,5 - ширина ДН в плоскости падения; 32 - l_э эффективная (условно-эквивалентная) глубина пространства СВЧ-нагрева; 33 - радиус эффективной поверхности R_эф переноса СВЧ-энергии падающей волны в материал; 34, 35 - диаметрально противоположные щели; 36 - средний радиус R_cp кругового апертурного преобразователя; 37 - длина щели l_щ; 38 - противофазный шаг d₂ волноводно-щелевой антенны; 39 - синфазный шаг d₁ волноводно-щелевой антенны; 40 - смещение излучающей щели Δ относительно оси симметрии прямоугольного волновода.

Электрический вектор напряженности волны, излучаемой поперечными щелями 27 (фиг.3), должен быть перпендикулярен широким стенкам излучающей щели. Щели при этом должны быть согласованно излучающими при том условии, что в кольцевой переменно-фазной многощелевой апертуре осуществляется одномодовый смешанный режим волны H₀₁.

Число щелевых антенн n выбирается из соотношения, обеспечивающего максимум напряженности электрического поля по центру поперечной щелевой антенны:

где Λ - длина основной волны H₀₁ в круглом волноводе; R_cp - средний радиус кольцевой излучающей апертуры (R_cp≫Λ); n∈1, 2...

Параметры кольцевой переменно-фазной многощелевой излучающей апертуры следующие (см. Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов. Под ред. Д.И.Воскресенского. - М.: Сов. Радио, 1972):

а) длина щели l_щ≈Λ/2 - щель резонансная;

б) величина противофазного шага d₂=0,48 (из условия существования только главного лепестка ДН (нулевого порядка), т.е. выполняется условие:

с другой стороны условием нормальности направления максимуму ДН к плоскости щели является d₁=Λ. Реально d₂/λ_Г=0,3-0,7 (см., например, Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов. Под ред. Д.И.Воскресенского. - М.: Сов. Радио, 1972), откуда:

в) величина синфазного шага d₁=2d₂;

г) ширина щели ≈0,25 l_щ (фиг.3).

Отраженная от материала волна попадает во внутренний замкнутый объем 23 (фиг.2) излучающей антенны, где создается поле стоячей волны. С помощью СВЧ термисторного ваттметра 10 (фиг.1) измеряется мощность отраженной волны Р_отр. Сигнал с выхода 10 поступает на экстремальный цифровой регулятор поиска и индикации минимума отраженной волны Р_отр 11 и через управляемый микропроцессорный блок питания ЛОВ 12 поступает на клемму (Кл.5) ГСВЧ 1, где изменяет величину Е_A2, меняя тем самым длину волны генератора λ_г, что приводит к отклонению максимума ДН главного лепестка Θ_гл на величину ΔΘ±.

Величина отклонения максимума ДН от Θ_гл (т.е. ΔΘ±) для предлагаемой переменно-фазной системы определяется выражением:

где а - расстояние между верхней и нижней стенками переменно-фазной многощелевой излучающей апертуры, d₂ - величина противофазного шага, ν_зф=с/V_ф - коэффициент замедления фазовой скорости волны H₀₁ в круглом волноводе, причем коэффициент замедления групповой скорости определяется выражением ν_згр=ν_зф ^-1.

Предложенная система поиска величины угла ДН Θ_гл±ΔΘ_± и, соответственно, связанной с ней величины угла Брюстера Θ_Бр, позволяет, меняя λ_г в кольцевой переменно-фазной многощелевой излучающей апертуре, с помощью системы поиска минимума Р_отр 11 (фиг.1), по сигналу СВЧ термисторного ваттметра 10 через ОС на ГУН, найти λ_г как меру действительной части диэлектрической проницаемости ε' и, соответственно, определить величину поверхностной влажности W_п материала, решая систему уравнений (1), (2), (3) и (4) в МНУ 16.

Далее при найденном угле Брюстера МНУ 16 стабилизируют мощность преломленной волны Р_{преломл} по цепи обратной связи путем изменения мощности падающей волны. С помощью блока термопар 17 измеряют температуру Т₁ внутри объема антенны на поверхности материала и переводят генератор СВЧ в режим генерирования радиоимпульсов постоянной длительности τ_и, амплитуды A_m и частоты повторения F_т посредством генератора видеоимпульсов (ВИ) 5 и диодного импульсного модулятора 4, управляемых микропроцессором. Одновременно включают счетчик ВИ 13, сопряженный с цифровым волномером 14, и производят отсчет числа импульсов. По достижении заданной температуры Т₂ фиксируют число N генерируемых видеоимпульсов и определяют в 16 величину влажности W в объеме материала по (5).

Анализ диаграммы направленности кольцевого переменно-фазного щелевого излучателя по известному решению (см. Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов. Под ред. Д.И.Воскресенского. - М.: Сов. Радио, 1972) для плоской структуры с максимумом ДН нормальным щелям, проводился с учетом сохранения структуры выражения многощелевого антенного множителя, но с учетом угла наклона волновода ΘA>0 (при R_cp≫λ_г). Векторное моделирование ДН по углу (в дальней зоне (ДЗ), т.е. практически в плоскости исследуемого материала позволяет сделать следующие выводы:

а) площадь облучения S_АП меньше эффективной площади апертуры, равной πR² _ср и определяется величиной R_эф 33 (фиг.3), т.е. величиной Θ_гл-ΔΘ, где ΔΘ - полуширина ДН в плоскости падения и зависит от величины W_П;

б) величина угла ϕ=π/2-(Θ_Бр+ΔΘ)≥0 и должна быть минимальной;

в) ДН в плоскости материала сохраняет распределение поля таким же, как и у одиночной щели в плоскости, но существенно ýже, т.е. чем острее ДН, тем меньше R_эф (S_эф(S_эф), тем больше чувствительность метода, т.е. распределение поля от 0 до R_эф подобно распределению у щелевой одиночной антенны при изменении угла ДН от Θ_ГЛ до Θ_ГЛ+ΔΘ;

г) для всех предлагаемых конструкций апертур векторная суммарная картина поля преломленной волны дает картину типичной плоской Т-волны с неравномерной ДН в плоскости материала.

Исходя из этого для плоской в ДЗ волны воспользуемся известным выражением глубины проникновения поля в материал с диссипативными (омическими) потерями, характеризующимся величиной проводимости γ [См/м]:

При определении влажности эквивалентом величины γ (с учетом того, что потерями на нагрев проводимости по сравнению с потерями на поляризационный нагрев в зависимости от влажности W пренебрегаем) служит величина ε'' (т.е. своего рода γ_эфф=f(W)):

откуда γ_эфф=ωε₀ε''(w), причем с высокой степенью точности (при условии γ_ом≪γ_эфф) можно считать ε''(W)=K₁W, γ_эфф=K₂W.

Считая, что при l≥3δ, потерями в пространстве на расстоянии от апертуры l>3δ можно пренебречь:

По измеренным величинам влажности поверхностного слоя W_п и влажности W в объеме материала рассчитывают эквивалентную глубину проникновения l_э и средний градиент изменения влажности по нормали к поверхности внутри материала по формулам (6) и (7).

Таким образом, измерив изменение температуры поверхности, фиксируемое блоком ТП 17 (батарея термопар) ΔТ(°C)=Ф(W), по (5) определяют величину влажности W в объеме материала.

Уменьшение чувствительности в зоне больших влажностей W объясняется увеличением величины ε'', и соответственно , при этом уменьшается величина l_Э (V_Э), что приводит к уменьшению количества тепла Q, т.к. затухание волны в материале прямо пропорционально l_Э (см. Берлинер М.А. Измерение влажности в диапазоне СВЧ. - М.: Энергия. 1973):

где

Технико-экономический эффект от использования предлагаемого изобретения заключается в увеличении чувствительности по сравнению с прототипом за счет уменьшения и локализации зоны взаимодействия ЭМВ с материалом, повышении точности измерения влажности поверхностного слоя W_П за счет повышения точности измерения угла Брюстера путем электронного управления положением максимума ДН приемо-передающей антенны, увеличении разрешающей способности способа по сравнению с прототипом и, как следствие, уменьшении погрешности измерения поверхностной влажности не хуже, чем в 3 раза на основании экспериментальных исследований на образцах с известной влажностью (с 9% до 3%), расширении функциональных возможностей за счет дополнительного определения интегральной влажности W по объему взаимодействия и среднего градиента изменения влажности по нормали к поверхности внутри материала, а также уменьшении паразитного СВЧ-излучения при обеспечении одностороннего доступа к исследуемому материалу.

Изобретение относится к способам определения влажности твердых материалов и может быть использовано в строительстве, в химической и других отраслях промышленности. Технический результат изобретения заключается в увеличении чувствительности, повышении точности измерения влажности поверхностного слоя, расширении функциональных возможностей за счет дополнительного определения интегральной влажности по объему взаимодействия и среднего градиента изменения влажности по нормали к поверхности внутри материала, а также уменьшения паразитного СВЧ-излучения. СВЧ-способ определения влажности твердых материалов по углу Брюстера заключается в помещении исследуемого материала в высокочастотное электромагнитное поле с последующей регистрацией изменения параметров, характеризующих высокочастотное излучение. Сферическая двухповерхностная многощелевая антенна с электронно-управляемой диаграммой направленности возбуждает электромагнитную волну, падающую на диэлектрический материал. Изменяют угол наклона диаграммы направленности до момента, при котором наблюдается минимум мощности отраженной волы в замкнутом объеме приемной части антенны, определяют длину волны генератора СВЧ и рассчитывают угол Брюстера. Затем по приведенным математическим формулам рассчитывают величину влажности поверхностного слоя измеряемого материала. Далее стабилизируют мощность преломленной волны путем изменения мощности падающей волны, измеряют температуру T₁ внутри объема антенны на поверхности материала. Затем переводят генератор СВЧ в режим генерирования радиоимпульсов постоянной длительности, амплитуды и частоты повторения, производят отсчет числа видеоимпульсов. При достижении заданной температуры Т₂ фиксируют число генерируемых видеоимпульсов и определяют величину влажности в объеме материала из приведенного математического соотношения. По измеренным величинам влажности поверхностного слоя и влажности в объеме материала рассчитывают эквивалентную глубину проникновения и определяют средний градиент изменения влажности по нормали к поверхности материал. Устройство, реализующее данный способ, содержит генератор СВЧ, детектор СВЧ, волноводный Y-циркулятор, во входное плечо которого включены блок генератора, управляемого напряжением, аттенюатор, управляемый микропроцессором, СВЧ термисторный ваттметр с выходом на микропроцессорное устройство для управления и стабилизации выходной мощностью, диодный импульсный модулятор и генератор видеоимпульсов, управляемый микропроцессором, пиковый детектор. В первое выходное плечо Y-циркулятора включена поглощающая согласованная нагрузка, а во второе выходное плечо включена сферическая двухповерхностная антенна, во внутреннем объеме которой расположен второй СВЧ термисторный ваттметр, сопряженный с экстремальным цифровым регулятором поиска и индикации минимума мощности отраженной волны и с резонаторным датчиком волномера. Питание генератора СВЧ осуществляется управляемым микропроцессорным блоком питания, счетчик видеоимпульсов сопряжен с цифровым волномером, а блок термопар сопряжен с микропроцессорным устройством. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. СВЧ-способ определения влажности твердых материалов по углу Брюстера, заключающийся в помещении исследуемого материала в высокочастотное электромагнитное поле с последующей регистрацией изменения параметров, характеризующих высокочастотное излучение, отличающийся тем, что с помощью устройства возбуждения электромагнитных волн, представляющего собой сферическую двухповерхностную переменно-фазную многощелевую антенну с электронно-управляемой диаграммой направленности, на длине волны генератора λ_г возбуждают электромагнитную волну, падающую на диэлектрический материал под углом Θ_ГЛ, изменяют угол наклона диаграммы направленности излучающей антенны путем варьирования длины волны генератора СВЧ до момента, при котором наблюдается минимум мощности отраженной волны в замкнутом объеме приемной части антенны, определяют длину волны генератора СВЧ λ_ГБр и рассчитывают угол Брюстера

Θ_Бр=Θ_ГЛ±ΔΘ_±,

где Θ_ГЛ - угол наклона диаграммы направленности главного лепестка в начальный момент времени при λ_Г,

ΔΘ_± - отклонение максимума диаграммы направленности (ДН) от угла наклона Θ_ГЛ, определяемое по величине длины волны генератора СВЧ λ_ГБр из формулы

где а - расстояние между верхней и нижней стенками переменнофазной многощелевой излучающей антенны;

d₂ - величина противофазного шага,

затем рассчитывают величину влажности поверхностного слоя W_п, решая систему уравнений:

ε'(W_п)=tg²Θ_Бр,

где ε' - величина относительной диэлектрической проницаемости двухкомпонентной смеси (строительный материал со связанной влагой - неструктированная влага),

диэлектрическая проницаемость свободной влаги ( с учетом частотной дисперсии); - диэлектрическая проницаемость "сухого" материала:

ε₀ - диэлектрическая проницаемость обезвоженного материала; ε_в - диэлектрическая проницаемость связанной воды (4,5-5,8); W₀ - объемное количество влажности, определяемое связанной влагой обезвоженного материала;

далее стабилизируют мощность преломленной волны Р_{преломл} по цепи обратной связи путем изменения мощности падающей волны, измеряют температуру T₁ внутри объема антенны на поверхности материала, переводят генератор СВЧ в режим генерирования радиоимпульсов постоянной длительности τ_и, амплитуды А_m и частоты повторения F_т и производят отсчет числа видеоимпульсов, при достижении заданной температуры Т₂ фиксируют число N генерируемых видеоимпульсов и определяют величину влажности W в объеме материала из соотношения ΔT=(T₂-T₁)=K_N·W, где K_N - коэффициент пропорциональности, зависящий от числа видеоимпульсов;

по измеренным величинам влажности поверхностного слоя W_п и влажности W в объеме материала рассчитывают эквивалентную глубину проникновения l_Э:

где ε''(W)=K₁·W - мнимая часть комплексной диэлектрической проницаемости исследуемого материала, зависящая от влажности W в объеме материала, K₁ - коэффициент пропорциональности;

определяют средний градиент изменения влажности по нормали к поверхности материала по формуле: