СВЧ-СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ ВЛАЖНОСТИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ НА МЕТАЛЛЕ И УСТРОЙСТВО, РЕАЛИЗУЮЩЕЕ СПОСОБ Российский патент 2008 года по МПК G01N9/36 G01N22/04 

Предлагаемое изобретение относится к способам определения влажности диэлектрических покрытий на поверхности металла с учетом электрофизических и геометрических неоднородностей поверхности и может быть использовано при контроле состава и свойств твердых покрытий на металле при разработке и эксплуатации радиопоглощающих материалов и покрытий, а также в химической, лакокрасочной и других отраслях промышленности.

Известен СВЧ-способ определения влажности твердых материалов /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 /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, от состояния и характера отражающих поверхностей, низкая точность измерений больших значений влажности, большое рассеивание СВЧ-энергии и низкая точность определения угла Брюстера, невозможность определения неоднородностей электрофизических и геометрических параметров.

Известен СВЧ-способ локализации неоднородностей в диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытиях на металле и оценки их относительной величины /Патент РФ №2256165, МПК⁷ G01R 29/08, G01N 15/08; Опубл. 10.07.05, Бюл. №19/, заключающийся в создании электромагнитного поля в объеме контролируемого диэлектрического покрытия на электропроводящей подложке и последующей регистрации изменения его параметров с помощью системы приемных вибраторов в нормальной плоскости относительно направления распространения электромагнитной волны в пределах границ сканируемого покрытия.

Недостатками способа являются возможность определения лишь свойств неоднородностей покрытия, малая чувствительность и низкая точность локализации и оценки геометрических и электрофизических параметров неоднородностей, невозможность определения влажности.

За прототип выбран неразрушающий СВЧ-способ контроля влажности твердых материалов и устройство для его реализации /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 влажного материала, и расчете по известным формулам величины влажности поверхностного слоя W_n, по изменению температуры локального объема исследуемого влажного материала при поглощении им фиксированной дозы энергии падающей ЭМВ, определяют величину влажности W в объеме материала.

Недостатками способа являются: низкая точность измерений поверхностной влажности W_n из-за не учитываемых мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости материала, стохастической шероховатости и электрофизических неоднородностей покрытия (материала), не учитывается ширина диаграммы направленности (ДН) излучателя и площадь зоны, существенной для отражения, а также наличие СВЧ-нагрева и контакта с исследуемым материалом, 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_n диэлектрического покрытия за счет учета мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости поверхностного слоя, ширины ДН излучателя, электрофизических неоднородностей покрытия и шероховатости его поверхности.

Данный результат достигается тем, что в СВЧ-способе определения поверхностной влажности диэлектрических покрытий на металле, заключающемся в помещении исследуемого материала в высокочастотное электромагнитное поле с последующей регистрацией изменения параметров, характеризующих высокочастотное излучение, по набору измеренных значений коэффициентов нормального затухания поля в каждой дискретной точке поверхности рассчитывают математическое ожидание, дисперсию и среднеквадратическое отклонение коэффициента нормального затухания поля, определяют среднее значение среднеквадратического отклонения коэффициента затухания поля по всем точкам поверхности сканирования σ_αcp и сравнивают с пороговыми отклонениями коэффициента нормального затухания поля Δα_пор.i, где i∈[1,..., N] - количество предварительно заданных дискретных значений Δα_пор:

Δα_cpi=|σ_αср-Δα_пор.i|;

определяют фрактальную размерность:

Д_f=tgα,

где α - угол наклона зависимости Δα_cpi=f(Δα_пор.i)

и коэффициент "незеркальности" поверхности:

К_НЗ=3-Д_f;

устанавливают комбинированную приемно-излучающую антенну в центре площади сканирования и перестраивают генератор СВЧ на длину волны λ_г=0,45 см, по минимуму отраженной мощности P_{отр мин} и длине волны генератора СВЧ λ_{г мин}, соответствующей данному минимуму, рассчитывают действительную и мнимую части комплексной диэлектрической проницаемости поверхностного слоя из уравнений:

где С - коэффициент пропорциональности;

определяют среднее значение влажности поверхностного слоя W_n, 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:

где ε₀ - диэлектрическая проницаемость обезвоженного строительного материала, ε_св - 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, W_св.в=0.05 - постоянная величина объемной влажности связанной воды.

Устройство, реализующее данный способ, содержит полупроводниковый генератор СВЧ с устройством управления, диодный переключатель, управляемый микропроцессорным устройством (МПУ), к первому выходу диодного переключателя, через Y - циркулятор с согласованной нагрузкой, подключена рупорная приемно-излучающая часть комбинированной антенны с поглотителем затекающего тока и углом раскрыва, обеспечивающим удовлетворительное согласование со свободным пространством, ко второму выходу диодного переключателя, через второй Y - циркулятор с согласованной нагрузкой, подключена вторая часть антенны в виде спиральной волноводно-щелевой антенны с поглощающей (согласованной) нагрузкой, блока приемных вибраторов с блоком переключения и подмагничивания, управляемым МПУ, приемного зонда измерения мощности отраженной волны и устройства для измерения температуры окружающей среды, блока АПЧ по поиску минимума мощности отраженной волны, сопряженного с МПУ и устройством управления генератора СВЧ.

Реализация способа поясняется с помощью устройства, изображенного на чертеже, содержащего диодный генератор СВЧ - 1, блок управления ГСВЧ - 2; МПУ - 3, блок АПЧ по поиску минимума мощности отраженной волны - 4, блок переключения и подмагничивания 5 линейки приемных вибраторов блока приемных вибраторов 6, комбинированную приемно-излучающую антенну - 7, два Y - циркулятора 8 и 9, диодный переключатель - 10, приемный зонд для измерения мощности отраженной волны Р_omp - 11, устройство для измерения температуры окружающей среды (например, термопара, терморезистор, термометр) - 12.

Комбинированная приемно-излучающая антенна 7 состоит из круговой синфазной приемно-передающей рупорной антенны 13 с углом раскрыва, обеспечивающим удовлетворительное согласование со свободным пространством, поглотителя затекающего тока 14, спиральной волноводно-щелевой антенны 15 с поглощающей (согласованной) нагрузкой 16.

Устройство работает в двух режимах, первый режим - режим определения, оценки электрофизических и геометрических (топологических) неоднородностей диэлектрического покрытия и определения коэффициента "незеркальности" К_нз поверхности. Второй режим работы - определение влажности материала на металлической поверхности с учетом фрактальной неоднородности.

Переводят устройство в первый режим работы. С помощью круговой синфазной приемно-передающей рупорной антенны 13, питаемой УСВЧ через диодный переключатель 10 и волноводный Y - циркулятор 9, возбуждают медленную поверхностную Е - волну с длиной волны λ_г=2÷3 см вдоль магнитодиэлектрического покрытия 17 с неизвестными электрофизическими параметрами и толщиной покрытия b. С помощью приемных вибраторов блока 6, управляемых МПУ 3 через блок переключения и подмагничивания 5, производят сканирование поверхности покрытия в заданных границах ΔS и определяют в каждой точке измерений совокупность значений коэффициента нормального затухания поля α_j, где j∈[1,..., n-1] - количество измерений по нормали к поверхности (по оси Y) /Патент РФ №2256165, МПК⁷ G01R 29/08, G01N 15/08; Опубл. 10.07.05, Бюл. №19/. В МПУ 3 запоминаются координаты точек сканирования и соответствующие им значения α_j в каждой точке.

По полученным значениям α_j в каждой дискретной точке поверхности определяют математическое ожидание :

и дисперсию коэффициента затухания как функцию геометрических и электрофизических параметров неоднородностей:

Вычисляют среднеквадратическое отклонение коэффициента затухания поля и определяется его среднее значение по всей площади сканирования. Сравнивают получившееся значение σ_αср с пороговыми значениями отклонения коэффициента затухания поля Δα_пор.i, где i∈[1,..., N] - количество предварительно заданных дискретных значений Δα_пор:

Δα_cpi=|σ_αcp-Δα_пор.i|.

Методом наименьших квадратов определяют зависимость Δα_cpi=f(Δα_пор.i) в виде линейной функции y=k·x+b, тангенс угла наклона которой есть фрактальная размерность:

Д_f=tgα.

Далее определяют коэффициент "незеркальности" сканируемой поверхности:

К_нз=3-Д_f.

Переводят измерительное устройство во второй режим работы. Устанавливают комбинированную приемно-излучающую антенну в центре площади сканирования. Перестраивают генератор СВЧ 1 на длину волны λ_г=0,45 см. Электромагнитная волна через управляемый МПУ 3 диодный переключатель 10 и второй волноводный Y - циркулятор 8 поступает на спиральную переменнофазную многощелевую антенну 15, угол наклона максимума ДН θ_гл которой зависит от величины длины волны λ_г возбуждающих СВЧ-колебаний.

Изменяя с помощью блока управления ГСВЧ 2, сопряженного с МПУ 3, и блока АПЧ 4 длину волны λ_г диодного генератора СВЧ, изменяют угол наклона ДН излучающей антенны /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 13 комплексной антенны 7. Угол наклона максимума ДН θ_Т(λ_г) излучающей антенны, при котором наблюдается эффект максимального поглощения падающей электромагнитной волны, будет равен углу Брюстера θ_Бр.

Минимум мощности отраженной волны P_{omp мин} пропорционален минимуму критерия Q_мин напряженности поля отраженной волны, в угловом спектре ДН, то есть в зоне существенной при отражении по максимуму ДН. Выражение для критерия Q_мин для 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_T(λ_г) - текущий угол наклона ДН, определяется выражением

Δθ - переменная интегрирования по ширине ДН, изменяется в пределах

θ_T(λ_{г мин})-Δθ_0.5(λ_{г мин})≤Δθ≤θ_т(λ_{г мин})+Δθ_0.5(λ_{г мин}),

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

и - действительная и мнимая части комплексной диэлектрической проницаемости поверхностного слоя,

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} показывает инвариантность λ_{г мин} от вариации и для приблизительных расчетов можно использовать формулу:

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

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

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

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

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

где ε₀ - диэлектрическая проницаемость обезвоженного строительного материала, ε_св - 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, W_св.в=0.05 - постоянная величина объемной влажности связанной воды.

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_n:

Техническо-экономический эффект изобретения заключается в увеличении чувствительности и повышении точности измерения влажности поверхностного слоя W_n диэлектрического покрытия за счет учета мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости поверхностного слоя, ширины ДН излучателя, электрофизических неоднородностей покрытия и шероховатости его поверхности.

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 может быть использовано при контроле состава и свойств твердых покрытий на металле при разработке и эксплуатации радиопоглощающих материалов и покрытий, а также в химической, лакокрасочной и других отраслях промышленности. Способ заключается в помещении исследуемого материала в высокочастотное электромагнитное поле с последующей регистрацией изменения параметров, характеризующих высокочастотное излучение. По набору измеренных значений коэффициентов нормального затухания поля в каждой дискретной точке поверхности рассчитывают математическое ожидание, дисперсию и среднеквадратическое отклонение коэффициента нормального затухания поля, определяют среднее значение среднеквадратического отклонения коэффициента затухания поля по всем точкам поверхности сканирования и сравнивают с пороговыми отклонениями коэффициента нормального затухания поля. Определяют фрактальную размерность и коэффициент "незеркальности" поверхности. Устанавливают комбинированную приемно-излучающую антенну в центре площади сканирования и перестраивают генератор СВЧ на определенную длину волны. По минимуму отраженной мощности и длине волны генератора СВЧ, соответствующей данному минимуму, рассчитывают действительную и мнимую части комплексной диэлектрической проницаемости поверхностного слоя и определяют влажность поверхностного слоя. Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности и точности измерений. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. СВЧ-способ определения поверхностной влажности диэлектрических покрытий на металле, заключающийся в помещении исследуемого материала в высокочастотное электромагнитное поле с последующей регистрацией изменения параметров, характеризующих высокочастотное излучение, отличающийся тем, что по набору измеренных значений коэффициентов нормального затухания поля в каждой дискретной точке поверхности рассчитывают математическое ожидание, дисперсию и среднеквадратическое отклонение коэффициента нормального затухания поля, определяют среднее значение среднеквадратического отклонения коэффициента затухания поля σ_αср по всем точкам поверхности сканирования и сравнивают с пороговыми отклонениями коэффициента нормального затухания поля Δα_пор.i, где i∈[1,..., N] - количество предварительно заданных дискретных значений Δα_пор:

Δα_cp.i=|σ_αср-Δα_nop.i|;

определяют фрактальную размерность:

Д_f=tgα,

где α - угол наклона зависимости Δα_cp.i=f(Δα_пор.i),

и коэффициент "незеркальности" поверхности:

К_нз=3-Д_f;

устанавливают комбинированную приемно-излучающую антенну в центре площади сканирования и перестраивают генератор СВЧ на длину волны λ_г=0,45 см, по минимуму отраженной мощности Р_{отр. мин} и длине волны генератора СВЧ λ_{г. мин}, соответствующей данному минимуму, рассчитывают действительную и мнимую части комплексной диэлектрической проницаемости поверхностного слоя из уравнений:

где С - коэффициент пропорциональности;

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

и

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:

ε_в=ε₀+ε₀W_св.в(ε_св-ε₀)[ε₀+0,33(ε_св-ε₀)]^-1,

где ε₀ - диэлектрическая проницаемость обезвоженного строительного материала,

ε_св - 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,

W_св.в=0,05 - постоянная величина объемной влажности связанной воды.