Сверхвысокочастотное устройство для измерения влажности Советский патент 1983 года по МПК G01N22/00 

00

00

Nd

CD

Изобретение относится к сверхвысокочастотной (СВЧ7 влагометрии и может быть использовано для контрол влажности различных материалов, например тканей,, бумажного полотна, натуральных и искусственных кож, пленок белковой оболочки для пищевых продуктов и т.п.

Известен СВЧ-влагометр, содержащий коаксиальный датчик-резонатор, открытый со стороны исследуемого материала. Резонатор снабжен возвратно-поступательным механизмом. При перемещении резонатора с помощь возвратно-поступательного механизма по отношению к исследуемому материалу в какой-то, момент частота резонатора совпадает с частотой генератора. Поэтому независимо от начального зазора между датчиком и исследуемым материалом всегда возникает резонанс. Сигнал, снимаемый с резонатора в этот момент, является максимальным и его величина определяется потерями, вносимыми влажным материалом, которые однозначно связаны со значением влагосодержания. Максимальное значение сигнала,с помощью пикового детектор преобразуется в постоянное напряжение, которое регистрируется выходным прибором 1.

Однако в данном устройстве выходной сигнал СВЧ-влагомера зависит от неконтролируемых в условиях производства колебаний мощности генератора СЕЧ, от температурных; и других изменений чувствительности СВЧдетрктора и звеньев низкочастотного тракта, а также большое время измерения влажности.

Известно также СВЧ-устройство дл измерения влажности, содержащее последовательно соединенные генератор, аттенюатор, коаксиальный pesoнатор с емкостным зазором, детектор фильтр низкой частоты, усилитель, с,инхронный детектор, индикатор и генератор низкой частоты, соединенный также с управляющим входом синхронного детектора 23.

. Однако известное СВЧ-устройство для измерения влажности характеризуется низким быстродействием измерений в условиях производства, связанным с наличием в СВЧ-тракте аттенюатора с жесткими я-ребованияМи к линейности и стабильности регулировочной характеристики и наличием электромеханического звена.

Цель изобретения - повышение быстродействия измерений в условиях производств.

Цель достигается тем, что в СВЧ-устройство для измерения влажности f содержащее последовательно соединенные генератор, аттенизэтор,

коаксиальный резонатор с емкостным зазором, детектор, фильтр низкой частоты, усилитель, синхронный детектор, индикатор и генератор низкой частоты, соединенный также с

управляющим входом синхронного детектйра, введены формирователь прямоугольных импульсов, в стенках внешнего проводника резонатора выполнены отверстия связи с установленными в них n-i-p-i-n - диодами, а в емкостном зазоре резонатора установлен варакторный диод, причем формирователь прямоугольных импульсов соединен с фазоинвертором, а

5 между ними подключен формирователь пилообр зных импульсов, выход которого соединен с варакторным диодом, при этом n-i-p-i-n -диоды соединены соответственно с выходами фазоинвер0 тора и формирователя прямоугольных импульсов, вход которого соединен с выходом генератора низкой частоты.

На фиг. 1 представлена функциональная схема СВЧ-устройства для измерения влажности; на фиг. 2 конструктивное выполнение коаксиального резонатораj на фиг. 3 эпюры управляющих напряжений на различных элементах схемы и зшоры выходного сигнала.

Функциональная схема; содержит последовательно соединенные генератор 1, аттенюатор 2, коаксиальный резонатор 3 с емкостным зазором, детектор 4, фильтр 5 низкой

частоты (ФНЧ), усилитель 6, синхронный детектор 7, индикатор 8, генератор 9 низкой частоты, соединенный также с управляющим входом синхронного детектора 7. Кроме того, схема содержит формирователь 10 прямоугольных импульсов, фазоинвертор 11 и формирователь 12 пилообразных им пульсов.

5 Формирователь 10 прямоугольных импульсов соединен с фазоинвертором 11, а между ними подключен формирователь 12 пилообразных импульсов, выход которого соединен с варактор0 нь1М диодом 13. N-i-p-i-n -диоды 14 соединены соответственно с выходами фазоинвертора 11 и формирователя 10 прямоугольных импульсов, вход которого соединен с выходом генератора

9 низкой частоты.

В стенках внешнего проводника коаксиального резонатора выполнены отверстия связи с установленными в них n-i-p-i-n -диодами 14, а в емкостном зазоре резонатора установлен варакторный диод 13. Управляющие /напряжения подаются ох источников на h-i-p-i n-диоды 14 по проводам 15, а- на варакторный диой по проводу 16. Генератор 1 и детектор 4 подключены к Коаксиальному резонатору 3 iчерез соответствующие волноводы ( ил коаксиальные линии). Устройство содержит также эталон ный 17 и исследуемый 18 образцы. Устройство работает следующим образом.. Сигнал, поступающий от генератора 1, возбуждает ъ коаксиальном резонаторе 3 вынужденные электромагнитные колебания. Варакторный диод -13 обеспечивает перестройку резона.тора таким образом, что обязательно аастота генератора и собственная частота резонатора 3 в какой-то . момент совпадут, При этом в резонаторе 3 возникают собственные колебания, амплитуда д оторых определяется добротностью резонатора. Резонансная частота и амплитуда колебаний эквивалентного резонатору 3 контура определяются не только ег собственными параметрами, но и высокими реактивными и активными соетавляющими элементов связи, подключенными к резонатору 3. При подключении эталонного образца 17 эквивалентный колебательный контур имеет определенную резонансную частоту f с определенной амплитудой колебаний А, а при подключении исследу емого образца 18 контур имеет другу резонансную частоту f и амплитуду колебаний Aj. Реактивная составляй)щая частоты исследуемого .образца .18 незначительно изменяет резонансную частоту колебательного контура (т.е собственная частота резонатора почти .не зависит от влажности образца) и поскольку имеется возможность перестраивать контур с помощью емкости в арак TOpaV о при этом обязательно в контуре возникают собственные колебания на частоте генератора fg. Амплитуда же этих колебаний зависит от внесенной в контур активной составляющей исследуемого образца (т.е. добротности резонатора) и будет тем больше, чем меньше влажность , а с увеличением влажности амплитуда колебаний уменьшится. Эпюры управляющих напряжений (фиг. 3) на различных элементах схемы и эпюры выходного сигнала поясняют работу предложенного устройства От синусоидального напряжения генера тора 9 низкой частоты (а) Формируются две меандровые Последовательности (йГи), сдвинутые по фазе на 180 которые управляют работой n-i-p i-nдиодов 14, осуществляя поочередное открывание окон связи резонатора. Одновременно изменяется напряжение на варакторном диоде 13, а значит и его емкость Су. Управляющее напряжение варакторного диода 13 по форме может быть различным, период изме- . нения управляющего напряжения определяется длительностью прямоугольных импульсов, передаваемых на п-1-p-i-nдиоды 14. При изменении емкости варакторного диода 13 от минимальной до максимальной ее величины в момент/ когдд частота резонатора 3 станет равной частоте генератора 1, сигн.ал, снимаемый с резонатора, пропорционален его добротности, которая однозначно связана с влажностью исследуемого образца 18 или параметрами эталонного образца 17.. Этот сигнал поступает на детектор 4. Напряжения, снимаемые с детектора 4 (-( ,о|с) имеют форму сдвоенных импульсов. Изменяя форму пилообразного управляющего напряжения на варакторном диске 13 можно получать различные формы напряжений, снимаемых с детектора 4. . Низкочастотная составляющая спектра последовательно сдвоенных импульсов выделяется фильтром 5 низких частот (е, з), усиливается усиливатёлем б, детектируется синхролным детектором 7 и поступает на индикатор 8. Из эпюр (е и (видно, что если напряжение , снимаемое с выхода фильтра 5. нижних частот, в J)a3e с опорным нйпряжением генератора 9 низкой часто:ты (а-е, то это соответствует большей влажности исследуемого образца 18, чем эталонного образца 17, и на оборот, если это напряжение в противофазе с опорным, это соответствует меньшей влажности исследуемого образца 18, чем эталонного образца 17 (а, з). Амплитуда этих напряжений пропорциональна отклонению измеряемой влажности материала от нормируемой. При уменьшении jf увеличении) мощности -енератора или чувствительности детектора 4 уменьшается (увеличивается) сигнал о влажности, но также уменьшается (увеличивается сигнал, поступающий от эталонного образца 17, Но отношение этих сигналов при постоянной влажности остается неизменным. Таким образом, выходной сигнал не зависит от колебаний уровня мощности генератора 1/ чувствительности детектора 4, нестабильностбй усилителя б, синхронного детектора 7, и его полярность из1леняется в зависимости от знака отклонения влажности от нормируемой. Синхронизация работы схемы осуществляется от опорного генератора 9 низкой частоты. Сигнал с него поступает на формирователь 10 прямоугольных импульсов и далее на

СВЕРХВЫСрКОЧАСТОТНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕЕЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ, содержащее последовательно соединенные генератор, аттетоатор/ коаксиальный резонатор с емкостным зазором, детектор, фильтр низкой частоты, усилитель, синхронный детек- . тор, индикатор и генератор низкой частоты, соединенный также с управ . : -J.-4 йЛа г;йдi ляющим входом синхронного детектора, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия измерений в условиях производства,. IB него введены формирователь прямоугольных импульсов, фа;зоинвертор и формирователь пилообразных импульсов, в cTSHjcax внешнего проводника резонатора выполнены отверстия связи с установленными в . них n-i-p-i-п-диодами, а в емкостном зазоре резонатора установлен варакторный диод, причём формироBaTeJib прямоугольных импульсов соединен с фазоинвертором, а между подключен формирователь пило,образных импульсов выход которого соединен с варакторным диодом, сл при этом n-i-p- l-n диоди соединены соответственно с выходами фазоинвёрсг тора и формирователя прямоугольных импульсов, вход которого соединение :выходом генератора низкой частоты.