СВЧ-СПОСОБ КОНТРОЛЯ ВЛАЖНОСТИ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2008 года по МПК G01N22/04 

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

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.

Недостатками способа и реализующего его устройства являются невысокая точность измерений из-за ее зависимости от толщины и плотности исследуемого материала; 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.

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.

Известен 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.

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.

Известны принятый за прототип неразрушающий СВЧ-способ контроля влажности твердых материалов и устройство для его реализации (см. патент РФ №2269763, МПК⁷ G01N 9/36, 22/04; опубл. 10.04.06, бюл. №4), заключающийся в нахождении угла падения электромагнитной волны, при котором наблюдают минимум мощности отраженной волны от поверхности исследуемого материала, и расчете по известным формулам величины влажности поверхностного слоя W_п; стабилизируя мощность преломленной волны Р_пр по цепи обратной связи путем изменения мощности падающей волны, по изменению температуры исследуемого материала в заданный интервал времени определяют величину влажности W в объеме материала.

Недостатками способа являются низкая точность измерений влажности из-за неучитываемой мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости материала, наличие СВЧ-нагрева и контакта с исследуемым материалом для определения изменения его температуры, низкая точность измерений больших значений влажности, зависимость точности измерений угла Брюстера от девиации частоты лампового СВЧ-генератора, сложность аппаратурной реализации способа.

Техническим результатом изобретения является увеличение чувствительности и повышение точности измерения влажности поверхностного слоя W_п и интегральной влажности W по объему взаимодействия, повышение электромагнитной безопасности, упрощение аппаратурной реализации и уменьшение массогабаритных параметров устройства.

Данный результат достигается тем, что в неразрушающем СВЧ-способе контроля влажности твердых материалов, заключающемся в помещении исследуемого материала в высокочастотное электромагнитное поле с последующей регистрацией изменения параметров, характеризующих высокочастотное излучение, по минимуму отраженной мощности Р_{отр мин} и длине волны генератора СВЧ λ_{г мин}, соответствующей данному минимуму Р_{отр мин}, рассчитывают действительную и мнимую части комплексной диэлектрической проницаемости поверхностного слоя из уравнений:

где С - коэффициент пропорциональности;

определяют среднее значение влажности поверхностного слоя W_п, решая систему уравнений:

где - дисперсионно-температурная зависимость действительной части диэлектрической проницаемости свободной воды:

- дисперсионно-температурная зависимость мнимой части диэлектрической проницаемости свободной воды:

ε_в - диэлектрическая проницаемость "сухого" материала:

ε₀ - диэлектрическая проницаемость обезвоженного строительного материала;

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

t - температура материала или окружающей материал среды, °С;

далее стабилизируют мощность падающей волны Р_пад, определяют мощность преломленной волны Р_пр=Р_пад-Р_{отр мин} и рассчитывают величину мнимой части диэлектрической проницаемости ε'' материала из формулы:

определяют влажность материала по объему взаимодействия W как отношение мнимой части диэлектрической проницаемости ε'' материала к мнимой части диэлектрической проницаемости свободной воды : .

Способ реализуется следующим образом. С помощью диодного генератора СВЧ 1 (фиг.1) с управляемой длиной волны λ_г электромагнитная волна через управляемый микропроцессором (МПУ) аттенюатор на подмагниченном феррите 2 и волноводный Y-циркулятор 3 поступает на специальную излучающую систему комплексной апертуры в виде кольцевой переменнофазовой многощелевой излучающей антенны 5, угол наклона максимума диаграммы направленности (ДН) θ_гл которой зависит от величины длины волны λ_г возбуждающих СВЧ-колебаний.

Варьируя длину волны λ_г диодного генератора СВЧ-колебаний, изменяют угол наклона диаграммы направленности излучающей антенны (см. Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов. Под ред. Д.И.Воскресенского. - М.: Сов. Радио, 1972) и добиваются минимума мощности отраженной волны в приемной части 6 комплексной апертуры. Угол наклона максимума ДН излучающей антенны, при котором наблюдается эффект максимального поглощения падающей электромагнитной волны, будет равен углу Брюстера θ_Бр.

Минимум отраженной мощности Р_{отр мин} будет пропорционален критерию Q_мин минимума мощности (напряженности поля) отраженной волны в угловом спектре ДН, т.е. в зоне существенной при отражении по максимуму ДН. Выражение для критерия Q_мин при 2≤ε'≤10, 0≤ε''≤1 имеет вид:

где С - коэффициент пропорциональности, А=R(Δθ, ε', ε'') - коэффициент отражения:

B=F(λ_г, Δθ) - вид ДН щелевого излучателя:

θ_т(λ_г) - текущий угол, определяемый выражением:

Δθ - текущий угол отклонения ДН,

θ₀ - начальный угол положения ДН численно он равен 50,82,

Δθ_0.5(λ_г) - ширина диаграммы направленности:

где

а=0,00355 [м] - размер широкой стенки волновода, d=0,003 [м] - длина излучающей щели, N=7 - количество щелей в антенне, λ_г=0,0045...0,0065 [м] - диапазон перестройки длины волны генератора, λ_гн=0,0045 [м] - начальная длина волны генератора.

Аппроксимированное выражение минимума критерия отраженной мощности будет иметь вид:

Аппроксимированная зависимость λ_{г мин} от и имеет вид:

Математическое моделирование зависимости λ_{г мин} (, ) от показывает, что λ_{г мин} (, ) почти не зависит и для приблизительных расчетов можно использовать формулу:

Значение влажности поверхностного слоя можно найти через мнимые части диэлектрических проницаемостей поверхностного слоя и свободной воды:

Кроме того, влажность поверхностного слоя можно определить также и через действительные части диэлектрических проницаемостей поверхностного слоя и свободной воды [Федюнин П.А. Микроволновая термовлагометрия. / П.А.Федюнин, Д.А.Дмитриев, А.А.Воробьев, В.Н.Чернышов. - М.: Машиностроение - 1, 2004. - С.230]:

где - дисперсионно-температурная зависимость действительной части диэлектрической проницаемости свободной воды:

- дисперсионно-температурная зависимость мнимой части диэлектрической проницаемости свободной воды:

ε_в - диэлектрическая проницаемость "сухого" (со связанной влагой) материала, определяемая по обобщенной формуле Рейнольдса и Хью:

ε₀ - диэлектрическая проницаемость обезвоженного строительного материала; ε_в - диэлектрическая проницаемость связанной воды (4,5-5,8) инвариантна изменению длины волны генератора λ_г и температуры t°C; t - температура материала или окружающей материал среды, °С.

Рассчитывают действительную и мнимую части комплексной диэлектрической проницаемости поверхностного слоя из уравнений (1) и (2) и, решая (3) и (4), определяют среднее значение влажности поверхностного слоя W_п:

Стабилизируют мощность падающей волны Р_пад и определяют мощность преломленной волны Р_пр=Р_пад-Р_{отр мин} и из выражения мощности поглощаемой 1 м³ в 1 с энергии активных поляризационных потерь:

- средняя напряженность электрического поля преломленной волны внутри материала, - мощность, переносимая волной, Z₀ - волновое (характеристическое) сопротивление свободного пространства, равное 377 Ом.

Из (5) можно выразить величину мнимой части диэлектрической проницаемости ε'' материала:

Влажность материала по объему взаимодействия W рассчитывается по формуле

Предлагаемый способ позволяет аппаратурно упростить устройство реализации предлагаемого способа по сравнению с прототипом. Устройство, реализующее предлагаемый способ, представлено на чертеже и содержит: 1 - управляемый диодный генератор СВЧ; 2 - управляемый микропроцессором (МПУ) аттенюатор на подмагниченном феррите; 3 - волноводный Y-циркулятор; 4 - поглощающую согласованную нагрузку; 5 - кольцевую переменнофазную многощелевую антенну - излучающая часть комплексной апертуры; 6 - рупорную приемную часть комплексной апертуры; 7 - вентиль; 8 - СВЧ-термисторный ваттметр; 9 - экстремальный цифровой регулятор поиска и индикации минимума мощности отраженной волны Р_отр; 10 - управляемый микропроцессорный блок питания для 1 (УБП); 11 - микропроцессор; 12 - блок термопар (ТП).

Техническо-экономический эффект изобретения заключается в увеличении чувствительности и повышении точности измерения влажности поверхностного слоя W_п и интегральной влажности W по объему взаимодействия путем учета ширины ДН реальной антенны и за счет отсутствия СВЧ-нагрева, повышении электромагнитной безопасности путем применения маломощного диодного СВЧ-генератора, упрощении аппаратурной реализации и уменьшении массогабаритных параметров устройства.

Как следствие, уменьшается погрешность измерения поверхностной влажности не хуже, чем в 2,5 раза на основании экспериментальных исследований на образцах с известной влажностью (с 10% у прототипа до 4% в предлагаемом способе).

Изобретение относится к способам определения влажности твердых материалов и может быть использовано в строительстве, в химической и других отраслях промышленности. СВЧ-способ контроля влажности твердых материалов по углу Брюстера заключается в помещении исследуемого материала в высокочастотное электромагнитное поле с последующей регистрацией изменения параметров, характеризующих высокочастотное излучение. Применяют маломощный диодный СВЧ-генератор, диапазон перестройки длины волны которого λ_г=0,0045...0,0065 м. По значению длины волны диодного СВЧ-генератора λ_{г мин}, обеспечивающей минимум отраженной мощности Р_{отр мин}, рассчитывают действительную и мнимую части комплексной диэлектрической проницаемости поверхностного слоя материала. По известным формулам определяют среднее значение влажности поверхностного слоя W_п, по значению мощности преломленной волны Р_пр определяют величину мнимой части диэлектрической проницаемости ε'' материала, определяют среднюю по объему взаимодействия влажность материала W. Техническим результатом изобретения является увеличение чувствительности и повышение точности измерения, повышение электромагнитной безопасности, упрощение аппаратурной реализации и уменьшение массогабаритных параметров устройства. 1 ил.

СВЧ-способ контроля 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 применяют маломощный диодный СВЧ-генератор, диапазон перестройки длины волны которого λ_г=0,0045...0,0065 м, по значению длины волны диодного СВЧ-генератора λ _{г мин}, обеспечивающей минимум отраженной мощности Р_{отр.мин}, рассчитывают действительную и мнимую части комплексной диэлектрической проницаемости поверхностного слоя материала из уравнений

где С - коэффициент пропорциональности,

и по известным формулам определяют среднее значение влажности поверхностного слоя W_п,

по значению мощности преломленной волны определяют величину мнимой части диэлектрической проницаемости ε'' материала по формуле

где Р_пад - мощность падающей волны;

P_пр - мощность преломленной волны,

определяют среднюю по объему взаимодействия влажность материала W как отношение мнимой части диэлектрической проницаемости ε'' материала к мнимой части диэлектрической проницаемости свободной воды .