Устройство для измерения диэлектрических параметров жидкостей Советский патент 1987 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к технике измерений в диапазонах миллиметровых и субмиллиметроБых длин волн, а именно к измерению диэлектрических параметров жидких диэлектриков, - Целью изобретения является расширение функциональных возможностей путем обеспечения непрерывного контроля отклонений диэлектрических параметров исследуемой жидкости от заданного закона их изменения.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для измерения диэлектрических параметров жидкостей; на. фиг. 2 - конструкция кюветы.

Устройство для измерения диэлектрических параметров жидкостей содержит СВЧ-генератор 1, вькод которого соединен с входом первого делителя 2 мощности, первый выход которого соединен с входом второго делителя 3 мощности, первый и второй выходы которого соединены с открытым резонатором, образованным плоским зеркалом 4 и сферическим зеркалом 5, посредством щелей связи, прорезанных в плоском зеркале 4 под углом одна к другой и равноотстоящих от оси от- крытого резонатора, к второму выходу первого делителя 2 мощности подсоединен вход фазового модулятора 6, выход которого соединен с входом третьего делителя 7 мощности первый и второй выходы которого соединены с опорными входами блока для измерения характеристик резонатора, выполненного в виде измерителя 8 фазы, сигнальные входы которого соединены с первым и вто- рьм выходами разделителя 9 поляризации, вход которого соединен с от- крытьм резонатором посредством отверстия связи, прорезанного в сферическом зеркале 5.

Сферическое зеркало 5 снабжено уз- лом 10 перемещения, который соединен с входом регистратора 11, другой вход которого соединен с выходом измерителя 8 фазы. На оси открытого резонатора внутри него установлена кювета 12, выполненная из диэлектрика, ной кратной 91/2 и состоящая из двух частей - сплошной пластины 13 и при

т.е. при фиксированной частоте данные моды возбуждаются в открытом ремыкающей к ней пластины 14, в центре которой вьтолнены продольный паз 15 55 зонаторе при одном и том же резонанс- для исследуемой жидкости и два паза ном расстоянии между зеркалами. При 16 для эталонной жидкости, расположен- возникновении анизотропии свойств ные симметрично относительно продоль- среды, заполняющей открытый резона- ного паза 15 и параллельно ему, притор, вьфождение мод и ТЕМ

,

5

3305862

чем оси пазов 16 расположены стоянии

:.

.

(2R-L)

0

5

g

5 0

0

5

0

от оси продольного паза 15, а ось, проходящая через середину расстояния между краями двух соседних пазов, расположена от оси продольного паза 15 на расстоянии

d,,.

Щели связи, прорезанные в плоском зеркале 4, расположены на взаимно ортогональньк осях и ориентировайы под углом 90 одна к другой.

Устройство для измерения диэлектрических параметров жидкостей работает следующим образом.

Сигнал от СВЧ-генератора 1 через .первый и второй делители 2 и 3 мощности поступает по каналам а и Ь на вход открытого резонатора. Посредством двух идентичных волноведущих щелей связи, прорезанных в плоском зеркале 4, в объеме открытого резонатора возбуждаются моДы ТЕМ и ТЕМ„ ,

02Q гоп

обладающие двухосевой симметрией и. отличающиеся расположением пятен полей в поперечном сечении открытого резона тора. Каждая мода возбуждается с помощью соответствующих щелей связи, а вектора электрических полей этих мод поляризованы в соответствии с ориентацией волноведущих щелей связи. В таком открытом резонаторе с изотропным заполнением в поперечном сечении согласно дисперсионному уравнению эти моды вырождены по частоте

(т+п+1)агссо8(1-Ь/К),

2 где

L - длина открытого резонатора; 1 - рабочая длина волны; тип- поперечные вдоль осей х и у, а - продольный вдоль оси Z индексы мод; R - радиус кривизны сферического

зеркала 5,

т.е. при фиксированной частоте данные моды возбуждаются в открытом ре5 зонаторе при одном и том же резонанс- ном расстоянии между зеркалами. При возникновении анизотропии свойств среды, заполняющей открытый резона-

зонаторе при одном и том же резонанс ном расстоянии между зеркалами. При возникновении анизотропии свойств среды, заполняющей открытый резона-

тор, вьфождение мод и ТЕМ

,

5

20

снимается и эти моды присутствуют в спектре открытого резонатора раздельно. Таким образом при механическом или электрическом сканировании с помощью узла 10 перемещения сферического зеркала 5 относительно плоского зеркала 4 в выбранном участке спектра открытого резонатора в последнем будут поочередно или одновременно BOS-IQ буждаться моды ТЕМ, и ТЕМ на

отличающихся поляризациях. Вывод энергии из открытого резонатора осуществяется Посредством отверстия связи в виде круглой диафрагмы диаметром 0,2)1 и толщиной 0,03i5i в центре сферического зеркала. 5, Разделитель 9 поляризации, расположенный на выходе открытого резонатора и обеспечивающий развязку между двумя выходными плечами 25-30 дБ, позволяет вьщелить возбуждаемые в открытом резонаторе моды на разных поляризациях. Оба сигнала, соответствующие резонансному коэффициенту передачи открытого резонатора на модах ТЕМ и ТЕК , подаются по

каналам е и f на входы измерителя 8 фазы. При этом на опорные входы измерителя 8 фазы по каналам с и d по- зо ступают когерентные сигналы с третьего делителя 7 мощности и фазового модулятора 6. В результате в измерителе 8 фазы сигналы смещиваются и инормация об амплитуде и фазе перено- сится на низкую промежуточную частоту, соответствующую частоте фазовой модуляции. После детектирования сигналы на выходе усилителей с точностью до постоянной можно записать в слеующем виде:

Uf (t)Acos(uq,+nt)

U2(t)Bcos() , где A и В - амплитудные коэффициенты;

25

35

40

йср,илц - разности фаз скгналов,

поступающих на входы соответственно с, f и d, е, измерителя 8 фазы; Si - частота фазовой модуляции

В результате с выходов измерителя 8 фазы амплитудно-модулированные сигналы с частотой Л подаются на регистратор 11 в виде двухлучевого осциллографа.

Таким образом, после заполнения продольного паза 15 и пазов 16 эталонной и исследуемой жидкостями и осуществления сканирования открытого ре

зонатора на экране ЭЛТ будут наблюдаться две резонансные кривые, расстояния между максимумами которых и ширины на уровне половинной мощности имеют взаимооднозначное соответствие с искомыми величинами и tgS

а именно:

Обр

овр-.- з Ь/ьГр-ехр{-(|2). .

wr J

(U

.

.K

овр- L W.

Г -Tza --exp|-(---)

(bL-bl)/h

e.«X(H-;

При условии, когда -,/«

sO, и добротность открытого резонатора составляет величины Q-10 -10 , обе резонансные кривые могут наблюдаться на экране ЭЛТ раздельно, однако в тех случаях, когда величины 6 становятся достаточно маль1ми, такими, что две резонансные кривые уже не могут быть разрешены согласно известно- му критерию Р.елея, способы возбуждения открытого резонатора и регистрации, а также конструкция кюветы позволяют вести измерения и контроль диэлектрических параметров исследуемых жидкостей в области неразрешимых частотных сдвигов, т.е. ,1, не прерывая тот или иной технологический процесс. В этом случае сигналы с измерителя 8 фазы подаются одновременно на промьщшенный фазовый детектор и на отклоняющие пластины X и Y ЭЛТ, в результате на экране ЭЛТ будет на . блюдаться фигура Лиссажу в виде эллипса поляризации, параметры которого однозначно связаны с измеряемыми параметрами жидкости соотношениями:

/,()-

р 2arctg| tg J2arctg-Jcosbtf ,

где L - расстояние между зеркалами

открытого резонатора в точке пересечения резонансных кривых;

h - толщина слоя исследуемой жидкости.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения диэлектрических параметров жидкостей.

содержащее СВЧ-генератор, открытый резонатор, образованньш плоским и сферическим зеркалами, на оси открытого резонатора внутри него расположена кювета, выполненная и& диэлект- рика, толщиной, кратной Д/2, и состоящая из двух частей сплошной пла тины и примыкающей к ней пластины, в центре которой выполнен продольньш паз для додачи исследуемой жидкости, узел перемещения сфериче.ского зеркала, а также блок для Измерения характеристик резонатора и регистратор, первый вход которого соединен с узлом перемещения сферического зеркала а второй вход - с выходом блока для измерения характеристик резонатора, отличающее с я тем, что, с целью расщирения функциональных возможностей путем обеспечения непрерывного контроля отклонений диэлектрических параметров исследуемой жидкости от заданного закона их изменения, введены первый, второй и третий делители мощности, фазовьш модулятор разделитель поляризации, а блок для измерения ха рактеристик резонатора представляет собой измеритель фазы с,двумя опорными и двумя сигнальйгош входами, причем разделитель поляризаЦИК соединен -с открытым резонатором посредством отверстия связи, вьтол- йенного в сферическом зеркале, первьй и второй выходы разделителя поляризации соединены с сигнальными входами измерителя фазы, вькЬд СВЧ-генерато- ра соединен с входом первого делителя мощности, к первому выходу которого подключен вход второго делителя мощности, первый и второй выходы которого соедин{ ны с открытым резонатором посредством щелей связи, прорезанных в пл оском зеркале под углом одна другой и равноотстоящих от оси открытого резонатора, к второму выходу первого делителя мощности подключен вход фазового модулятора, выход которого соединен с входом третьего, делителя мощности, первый и второй выходы которого соединены с опорными входами измерителя фазы, при этом кювета дополнительно снабжена двумя пазами для этагонной жидкости, расположенными симм 1трично относительно продольного пала и параллельно ему, причем оси пазов для эталонной жидкости расположены на расстоянии

d +J-ij -о о

где W,(2Il-L)

п

L R расстояние между плоским и

сферическим зеркалами;

радиус кривизны сферического

зеркала;

рабочая длина волны, от оси продольного паза, а ось, проходящая через середину расстояния между краями двух соседних пазов, . расположена от оси продольного паза на расстоянии

d °2

2. Устройство по п. 1, о т л и- чающееся тем, что щели связи прорезанные в плоском зеркале, раст положены на ортогональных осях и ориентированы под углом 90° одна другой.

Изобретение обеспечивает расширение функциональных возможностей путем обеспечения непрерывного контроля отклонений диэлектрических параметров- исследуемой жидкости от заданного закона их изменения. Сигнал от СВЧ-генератора 1 через делители мощности 2, 3 поступает по двум каналам на открытьй резонатор (ОР), образованный плоским зеркалом 4 и сферическим зеркалом 5. Мезду зеркалами 4, 5 расположена кювета 12, вьшолненная из диэлектр-ика, в пазах которой, находится исследуемая и эталонная жидкости. Посредством двух идентичных вол- новедущих щелей связи, прорезанных в плоском зеркале 4, в объеме ОР возбуждаются моды ТЕМ и ТЕМ„ , облаO7tL дающие двухосевой симметрией и отличающиеся расположением пятен полей. В ОР с изотропным заполнением в поперечном сечении эти моды вьфождены по .определенным частотам. При возникновении анизотропии свойств среды, заполняющей ОР, вырождение мод снимается и моды присутствуют в спектре ОР раздельно. Вывод энергии из ОР осуществляется посредством отверстия связи. Разделитель поляризации 9 выделяет возбуждаемые в ОР моды на разных поляриз ациях. Измеритель фазы 8, на который с фазового модулятора-6 через делитель мощности 7 подается опорный сигнал, выделяет информацию об амплитуде и фазе сигнала. Информация регистрируется регистратором 11 сканирование ОР осуществляется узлом 10., 1 з.п. ф-лы,. 2 ил. (О 00 00 о 01 сх Од

ВНИИПИ Заказ 3579/48 Тираж 730

Произв.-полигр. пр-тие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Подписное