Сверхвысокочастотный измеритель влажности сред Советский патент 1991 года по МПК G01N22/04 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения влажности различных сред, например почвогрунтов, зерна, силоса и т.д., а также для измерения профиля распределения влаж- ности в них.

Цель изобретения - повышение чувствительности и увеличение разрешаю- щей способности при измерении влажности сыпучих и гранулированных сред, а также расширение функциональных возможностей путем определения минерализации сред и расширение динамическо- го диапазона.

На фиг.1 приведена структурная электрическая схема сверхвысокочастотного измерителя влажности сред; на фиг.2 - конструкция зонда со штыревой антенной.

Сверхвысокочастотный измеритель влажности сред содержит СВЧ генератор 1, первый направленный отвеуви- тель (НО) 2, первый развязывающий элемент 3, например, в виде феррито- вого циркулятора, зонд 4 измеритель 5 разности фаз, второй направленный ответвитель (НО) 6, детектор 7, последовательно соединенные регу - лируемый аттенюатор 8 и буферный каскад 9, образующие активный развязывающий узел 10, а также аналого-цифровые преобразователи 11 и 12, контроллер 13, микроЭВМ 14.

Зонд 4 выполнен в виде разомкнутой на одном конце отрезка коаксиальной линии 15 и с разъемом 16 на другом. К центральному проводнику 17 линии 15 присоединена штыревая антенна 18 через узел 19 возбуждения в виде ступенчатого перехода, закрытая радиопрозрачной оболочкой 20, на поверхности которой находится под

0

35

5 о

45 40

строечная трубчатая насадка 21 с фиксирующими винтами 22.Конец насадки 211 вставлен в отверстие в металлическом конусе 23 и фиксируется кольцом 24. Между торцом насадки 21 и дном отверстия конуса 23 вставлен радиально- упорный подшипник 25 качения. На внешней поверхности конуса имеется ступенька 26, предназначенная для фиксации полого бура.

Устройство работает следующим образом.

Подвижный полый бур надвигается на область штыревой антенны 18. Далее, вращением бура, зонд 4 со штыревой антенной 18, узлом 19 возбуждения, диэлектрической насадкой 21, конусом 23 погружается в исследуемую среду на необходимую глубину.

Схема устройства соответствует случаю, когда отрезок линии, возбуждаемой СВЧ 1 генератором, подключен к некоторому нагрузочному сопротивлению, в общем случае комплексному, которым является входной импеданс штыревой антенны 18. Поэтому амплитуда и фаза отраженной волны определяются комплексным входным сопротивлением штыревой антенны 18, связанным с диэлектрической проницаемостью области среды Ј,. , окружающей антенну

ZM.ze«SsJ J rfL t(1)

Я о + HlM c-tgp1

вх

где Z0 - волновое сопротивление антенны в воздухе;

(Цс и 6С - абсолютные магнитная и ди- электрическая проницаемости

среды; - электрическая длина антенны.

516

Диэлектрическая проницаемость среды связана с ее влажностью. Коэффициент отражения определяется с помощью измерителя 5. На коэффициент отражения помимо действительной части (Ј1) исследуемой среды существенное влияние оказывает и ее мнимая часть (Ј), определяемая собственной проводимостью среды и ее компонентов. В большинстве случаев эта добавка не учитывается, так как составляет единицы процентов от действительной части. Однако уже на частотах дециметрового и метрового диапазонов волн она становится значительной и для засоленных почв и грунтов составляет 20-30%.

Поэтому при измерениях влажности таких сред могут быть допущены существенные ошибки. При измерении только одной величины, определяемой свойствами исследуемого объекта, эту ошибку исключить нельзя, что приводит к неоднозначности измерений и резкому ухудшению точности результатов .

Этот факт дает принципиальную возможность измерить степень минерализации почвогрунтов и исключить ее влияние на результат измерения влажности введением в устройство дополнительного канала, измеряющего вторую величину, зависящую1 от влажности и солености, но имеющую эту зависимость отличную от аналогичной зависимости для коэффициента отражения (КО). Такой величиной выбрана ра зность фаз между падающей и отраженной СВЧ волнами, для чего в СВЧ измеритель влажности введен измеритель 5 разности фаз. В этом случае имеют две зависимости, представляющие систему уравнений

R f, (Ј, Ј f, (О;

АУ f2e ,e) fa(6),

где R - коэффициент отражения;

Ду - разность фаз.

Комплексная диэлектрическая проницаемость почвы, в свою очередь, однозначно зависит от влажности Ј f(W). Следовательно,влажность (W) функционально связана с измеряемыми величинами R и Ду

W F(R, Ду).

378

Следует отметить, что при работе на частотах ниже 2 Гц значения Ј в основном определяются минерализацией почвенной влаги. Это дает возможность составить два типа градун- ровочных кривых - зависимостей от влажности и солености разности фаз и аналогичные зависимости для коэффициента отражения. Причем крутизна зависимостей R(W) , R(S) nAq(R), (S) будет существенно различной. При этом влажность и соленость определяются в результате сравнения тан5 генсов угла наклона указанных характеристик по соответствующим номограммам, получаемым калибровкой.

Известные трудности представляет учет типа грунта, поскольку химические и механические различия для различных почв и грунтов вносят известные погрешности в результат измерений. В большинстве случаев требуется введение поправочного коэффициента на

5 тип грунта, что не всегда удобно и точно.

Предлагаемое устройство имеет комплект калибрующих насадок, соответствующих различным типам почво0 грунтов при нулевых влажности и солености. Введением активной зоны зонда в насадку определяется нулевая точка отсчета, соответствующая абсолютно сухому веществу. Вторая точка отсчета, соответствующая максимальному коэффициенту отражения, выставляется в положении, когда подвижная полая металлическая штанга полностью закрывает штыревую антенну. Этим ре0 шается вопрос калибровки влагомера. Калибрующие насадки изготавливаются из смеси композиционных материалов - цемента, графита и окиси титана, смешивая которые в определенных соотнос шениях можно имитировать любое значение комплексной почвы, сухой и увлажненной до полной влагоемкости, когда все поры почвы заняты водой.

Диаметр штыревой антенны 18 опре0 деляется соотношением

, D

Т,4...2,6

где d - диаметр штыревой антенны D - наружный диаметр радиопрозрачной оболочки 20. Экспериментально обнаружено, что при таком соотношении диаметров антенны и фидера имеет место наиболее

5

оптимальное соотношение динамического диапазона изменения КО и диапазона изменений влажности. Это возникает за счет наиболее глубокого проникновения СВЧ поля в среду с одной стороны и лучшего согласования волновых сопротивлений штыревой антенны и почвогрунта с другой. Знаменатель приведенного соотношения зависит и определяется диэлектрической проницаемостью разнопрозрачной оболочки 20 на антенну 18, которая может меняться от 2 до 50, что компенсирует ее влияние на чувствительность СВЧ влагомера. Длина штыревой антенны выбрана близкой к четвертьволновой и определяется из формулы

16313788

Волновое сопротивление коаксиальной линии 50 см, а волновое сопротивление грунта от 80 до 300 см - в зависимости от типа и влажности. Поэтому входное сопротивление антенны 18 должно быть близким к 300 см, а в сухом грунте иметь возможность перестраиваться. Кроме того, оно должно быть согласовано с волновым сопротивлением коаксиальной линии 15, Переход от сопротивления 50 см к 300 Ом осуществляется ступенчатым переходом, среднее звено которого имеет волновое сопротивление, равное

Ю

15

Р Hpt pi 122,5

Ом

где 1 - длина антенны, см;

$9 - рабочая длина волны СВЧ генератора в свободном про- j странстве, см; Ј Р - относительная диэлектрическая проницаемость радиопрозрачной оболочки 20. При погружении зонда в среду на его активную зону и прежде всего на радиопрозрачную оболочку 20 действуют сильные механические нагрузки, особенно нагрузки на кручение. Это может привести к выходу ее из строя. Для предотвращения этого оболочка 20 вставлена в металлический конус 23, защищающий ее от нагрузок давления и полностью развязана от нагрузок врщения. При ввинчивании.в среду все давление (вертикальное усилие) передается на конус 23, диаметр которого выбран таким, что грунт раздвигается в стороны. Это исключает давление на стенки коаксиальной линии 15.

При введении антенны в исследуемую среду при нулевой влажности имеет место минимальное рассогласование в волновых сопротивлениях антенны и среды. Этим обусловлены минимальные показания индикатора измерителя, так как незначительная часть мощности от ражается только из-за этого рассогласования, а уровень мощности повышает порог чувствительности измерителя. Принцип работы измерителя влажности предполагает максимальное рассогласование антенны с влажным грунтом и полное согласование ее с сухим

Р Hpt pi 122,5

Ом

0

5

0

5

0

5

0

5

Подстройка осуществляется перестраиваемым узлом возбуждения. Передвижениями трубчатой насадки 21 относительно антенны можно настраивать антенну 18 на разные типы почвогрун- тов или других сред. При этом меняется длина согласующего перехода, а это приводит к изменению его трансформирующих свойств и дает возможность согласовывать волновое сопротивление антенны 18 в сухом грунте с волновым сопротивлением коаксиальной линии 15. При этом-компенсируется реактивная составляющая входного сопротивления антенны для различных сред, и антенна 18 настраивается на резонанс.

Антенна работает в т.п. режиме ближней зоны и измерения параметров антенны 18. Этот режим работы, когда антенна помещена непосредственно в исследуемую среду, гораздо более чувствителен и информативен, чем режим антенны вне среды, поскольку в этом случае антенна 18 значительно лучше откликается на изменения параметров исследуемого объекта. Однако без учета особенностей такого включения антенны 18 может произойти резкое падение чувствительности за счет превышения диапазона -изменения параметров среды динамического диапазона приемного тракта. Чтобы этого не случилось,в измерительный тракт между основным каналом НО 6 и детекторной секцией 7 включен активный развязывающий узел 9, значительно повышающий развязку между зондом и измерительным трактом, который в этом Случае работает независимо от

изменения реактивного сопротивления чувствительного элемента - зонда 4.

Формула изобретения

1. Сверхвысокочастотный измеритель влажности сред, содержащий СВЧ генератор, соединенный с первым плечом развязывающего элемента, к второму плечу которого подсоединен зонд, выполненный в виде разомкнутого на конце отрезка коаксиальной линии, и детектор, включенный меж- (ду третьим плечом развязывающего элемента и входом индикатора, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и увеличения разрешающей способности при измерении влажности сыпучих и гранулированных сред, введены штыревая антенна, размещенная в радиопрозрачной оболочке, один конец которой подсоединен к центральному проводнику отрезка коаксиальной линии через введенный узел возбуждения, и трубчатая насадка, установленная с возможностью перемещения на радиопрозрачной оболочке, при этом диаметр d штыревой антенны выбран из условия

D

(1,4...2,0)

3137810

для значений диэлектрической проницаемости материала радиопрозрачной оболочки в пределах от 2 до 50, где D - наружный диаметр радиопрозрачной оболочки и внутренний диаметр трубчатой насадки.

2.Измеритель по п.отличающийся тем, что, с целью

Q расширения функциональных возможностей путем определения минерализации сред, СВЧ-генератор соединен с первым плечом развязывающего элемента через основное плечо введенного пер)5 вого направленного ответвителя, а третье плечо циркулятора соединено с входом детектора через основное плечо введенного второго направленного ответвителя, при этом выходы вспомо20 гательных плеч введенных первого и второго направленных ответвителей подсоединены соответственно к входам введенного измерителя разности фаз.

3.Измеритель по пп.1 и 2, о т - 25 личающийся тем,.: что, с

целью расширения динамического диапазона, выход основного плеча второго направленного ответвителя соединен с входом детектора через введенный 30 активный развязывающий узел, выполненный в виде последовательно соединенных регулируемого аттенюатора и буферного каскада.

Изобретение относится к измери- тельной технике и может использоваться для измерения влажности различных сред и профиля распределения влажности в них. Цель изобретения - повышение чувствительности и увеличение разрешающей способности при измерении влажности сыпучих и гранулированных сред, а также расширение функциональных возможностей путем определения минерализации сред и расширение динамического диапазона. Сверхвысокочастотный измеритель влажности сред содержит СВЧ генератор 1, направленSS

Фиг. 2

//,

18