Устройство для определения температурной зависимости параметров диэлектриков Советский патент 1992 года по МПК G01N22/00 G01R27/26 

Изобретение относится к технике измерений на СВЧ и может использоваться для определения относительной диэлектрической проницаемости Ј , тангенса угла диэлектрических потерь tg дтвердых диэлектриков в широком диапазоне температур вплоть до температур разрушения последних.

Известно устройство для измерения температурной зависимости параметров диэлектриков, содержащее измерительный резонатор и нагревательный элемент, причем измерительный резонатор представляет собой объемный цилиндрический резонатор Н типа на торцевую стенку которого помещается образец диэлектрика.

Однако это устройство имеет недостаточный интервал температур исследования, ограниченный температурой плавления сплава, из которого изготовлен измерительный резонатор. Кроме того, это устройство не позволяет реализовать измерения в условиях динамического нагрева.

Известно устройство для измерения температурной зависимости параметров диэлектриков, содержащее нагревательный элемент, выполненный в виде концентратора солнечной энергии, и измерительный тракт, выполненный в виде проходного открытого резонатора, представляющего собой систему двух сферических зеркал с одинаковыми радиусами кривизны, но с разными диаметрами, причем зеркало с большим диаметром является одновременно концентратором солнечной энергии.

Однако это устройство, обладая достаточно высокой точностью и неограниченным температурным диапазоном, имеет недостаток присущий всем резонаторным методам, а именно необходимость статического режима нагрева (достижение равномерности нагрева по всему объему по истечении определенного времени) образца исследуемого диэлектрика, что приводит к необходимости длительной выдержки образца материала при высокой температуре. Это зачастую, особенно в случае композиционных диэлектрических материалов, приводит к перерождению исходной структуры диэлектрика и получению информации, не соответствующей реальным условиям работы материала.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является устройство для измерения параметров диэлектриков при нагреве«содержащее СВЧтракт, выполненный в виде антенны, соединенной с входом амплифазометра, опорный вход которого соединен с выходом опорного тракта, нагреватель.

Однако это устройство обладает следующими недостатками.

Используемый источник нагрева - плазменная струя - существенно затрудняет осуществление непрерывных измерений в широком диапазоне частот в силу экранирующих свойств плазмы.

Химическое взаимодействие струи плазмотрона с исследуемым объектом затрудняет измерение особо чистых Материалов.

Плазмотрон является достаточно сложным техническим агрегатом,

Цель изобретения - повышение точности измерений в условиях динамического

нагрева при упрощении конструкции устройства.

Цель достигается тем, что в устройстве для измерения температурной зависимости

параметров диэлектрика в условиях высокотемпературного динамического нагрева, содержащем измерительный СВЧ-тракт, выполненный в виде фокусирующей антенны, соединенной с выходом СВЧ-генерато0 ра, приемной антенны, соединенной с измерительным входом амплифазометра, опорный вход которого соединен с выходом опорного тракта, и нагреватель исследуемого образца, согласно изобретению нагрева5 тель исследуемого образца выполнен в виде концентратора солнечной энергии, центральная часть которого выполнена в виде эллиптического отражателя, являющегося одновременно отражателем фокусирующей

0 антенны, в первом фокусе которого размещен излучатель, а во втором образец, опорный тракт образован вспомогательными приемной и передающей антеннами, ось параболического концентратора совмещена с

5 осью эллиптического отражателя СВЧ-трак- та, периферическая часть концентратора выполнена в виде параболоида, фокус которого совпадает с вторым фокусом эллиптического отражателя.

0 На чертеже приведена конструкция устройства для измерения температурной зависимости параметров диэлектрика.

Заявляемое устройство содержит нагревательный элемент, выполненный в виде кон5 центратора 1 солнечной энергии с переменной кривизной поверхности, измерительный канал, выполненный в виде системы передающей фокусирующей антенны 2, образованной совокупностью облучающего рупора 3 и фоку0 сирующей поверхности, являющейся центральной частью концентратора 1 солнечной энергии, и приемной рупорной антенны А, передающую рупорную антенну 5 и приемную рупорную антенну 6, образующих дополни5 тельный участок свободного пространства, включенный параллельно участку свободного пространства измерительного канала, источник 7 СВЧ-сигнала, соединенный со входами облучающего рупора 3 и передаю0 щей рупорной антенны 5, блок 8 преобразования частоты, соединенный с выходами приемной рупорной антенны 4, приемной рупорной антенны 6 и со входом фазометра 9 низкой частоты, выход которого соединен

5 со входом регистратора 10, ходовой винт 11 с двумя резьбами, на которых закреплены держатель 12 образца 13 и приемные рупорные антенны 4 и б, фотоэлектрический пирометр 14, ряд термопар, заделанных на различной глубине от нагреваемой поверхности, последняя из которых расположена на теневой границе образца.

Термопары ориентированы перпендикулярно вектору электрического поля и на чертеже не показаны.

Устройство для измерения температурной зависимости параметров диэлектриков в условиях высокотемпературного динамического нагрева работает следующим образом,

Двухпрофильное зеркало 1, периферическая часть которого имеет параболический профиль, а центральная эллиптический, является одновременно концентратором солнечной энергии, используемой для нагрева образца 13 диэлектрика и элементом передающей антенны, фокусирующей электромагнитную волну, излучаемую рупором 3, раскрыв которого помещен в первом фокусе эллипса. Образец 13 размещен в точке на оси оптической системы, где совмещены фокус параболы и второй фокус эллипса. Поверхность концентратора солнечной энергии, имеющая параболический профиль, набрана из отдельных зеркальных фацет таким образом, что на нагреваемой поверхности образца формируется радиально однородный лучистый тепловой поток, под воздействием которого происходит непрерывное изменение распределения температуры по глубине образца Т (х) и, соответствующее этому изменению, изменение распределения диэлектрических параметров к (х) и tg д (х) , которое в свою очередь определяет в каждый момент времени значение комплексного коэффициента прохождения электромагнитной волны через образец исследуемого диэлектрика. Задачей методики измерений, реализуемой на заявляемом устройстве является определение температурной зависимости параметров диэлектриков Ј(Т)и tg«5(T) по измеренному температурному полю в образце Т(хд), т.е. профилю температур в любой момент времени, и массиву измеренных значений комплексного коэффициента прохождения г T(t). Реализация радиоизмерений осуществляется следующим образом.

Подвергаемый одностороннему высокотемпературному динамическому нагреву образец 13 включен в измерительный канал (элементы 2,3,4 - часть измерительного канала) мостовой схемы, опорный канал который содержит самостоятельный участок свободного пространства, образованный рупорными антеннами 5 и 6, расположенный, параллельно участку свободного пространства измерительного канала.

Кольцо мостовой схемы замыкается на балансном смесителе, расположенном в блоке 8 преобразования частоты. В измерительный канал мостовой схемы включен однополосный модулятор низкой частоты F, что ведет к появлению одной боковой частоты в несущей частоте f0 сигнала измерительного канала, т.е. на выходе модулятора мы имеем сигнал с частотой f0+F. Смешение

0 сигналов измерительного и опорного каналов в балансном смесителе приводит к выделению сигнала низкой частоты F, на который линейно перенесены изменения амплитуды и фазы сигнала измерительного

5 канала. Далее сигнал частоты F в блоке 8 разветвляется на два канала, в одном из которых происходит его преобразование в сигнал постоянного напряжения, уровень которого пропорционален амплитуде сигна0 ла измерительного канала, после чего сигнал постоянного напряжения подается для измерения и регистрации на регистратор 10, например, светолучевой осциллограф марки Н071-3. По второму каналу сигнал

5 -частоты F подается для автоматического измерения фазы на один из входов стандартного фазометра. 9 низкой частоты, например, марки Ф2-16. На второй вход фазометра в качестве опорного сигнала пода0 ется сигнал частоты F с кварцевого генератора, расположенного в блоке преобразования частоты и выполняющего роль генератора модулирующей частоты. С выхода фазометра сигнал постоянного напряже5 ния, пропорциональной приращению фазы сигнала измерительного канала подается для измерения и регистрации на регистратор 10. Таким образом, регистратор 10 непрерывно регистрирует сигналы, несущие

0 информацию об изменении амплитуды и фазы сигнала СВЧ измерительного канала, т.е. регистрирует изменение величины комплексного коэффициента прохождения г электромагнитной волны, зондирующей

5 образец 13, подвергаемый высокотемпературному одностороннему динамическому нагреву.

Температурное поле в образце рассчитывается по измеряемым в процессе нагре0 ва значениям температуры в опорных точках образца, две из которых расположены на плоскостных границах, а остальные на различной глубине от нагреваемой поверхности. Температура нагреваемой поверхно5 сти измеряется оесконтактным способом, например фотоэлектрическим пирометром 14, работающим в провале солнечного спектра, температура в остальных точках - с помощью термопар.

Ј

Лкгперимрнтальные данные, получении 1 к процессе эксплуатации заявляемого v нюйсгна. включающие в себя непрерыв- нмг температурные и радиотехнические (модуль и фаза коэффициента прохождения) измерения, осуществляемые в динамике процесса нагрева, являются достаточными для организации алгоритма обработки этих данных, основанного на приемах теории идентификации систем с распределенными пара- метрами, с целью определения температурной зависимости параметров диэлектриков в условиях высокотемпературного динамического нагрева при заданных темпах роста температуры нагреваемой поверхности образца мате- риала исследуемого диэлектрика.

Положительным эффектом заявляемого устройства в сравнении с прототипом является увеличение точности измерений температурной зависимости параметров диэлектриков Ј ( Т) и tg б (Т) связанное с новой возможностью достаточно точного измерения модуля и фазы коэффициента прохождения, определяемой использованием автономного генератора, наличием фазовых измерений и предлагаемой конструкцией антенной системы и концентратора солнечной энергии.

Формула изобретения

Устройство для определения температурной зависимости параметров диэлектри-

ков, содержащее измерительный СВЧ- тракт, выполненный в виде фокусирующей антенны, соединенной с выходом СВЧ-гене- ратора, приемной антенны, соединенной с измерительным входом амплифазометра, опорный вход которого соединен с выходом опорного тракта, вход которого соединен с выходом СВЧ-генератора, и нагреватель исследуемого образца, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений и упрощения конструкции устройства, нагреватель исследуемого образца выполнен в виде концентратора солнечной энергии, центральная часть которого выполнена в виде эллиптического отражателя, являющегося одновременно отражателем фокусирующей антенны, в первом фокусе которого размещен излучатель, а во втором - исследуемый образец, опорный тракт образован вспомогательными приемной и передающей антеннами, вход и выход которых является соответственно входом и выходом опорного тракта, ось концентратора солнечной энергии совмещена с осью эллиптического отражателя фокусирующей антенны, периферическая часть концентратора солнечной энергии выполнена в виде параболоида, фокус которого совпадает с вторым фокусом эллиптического отражателя.

Изобретение относится к технике измерений на СВЧ и может использоваться для определения температурной зависимости параметров твердых диэлектриков в условиях высокотемпературного динамического нагрева концентрированной солнечной энергией. Целью изобретения является повышение точности измерения и упрощение конструкции устройства. Устройство для определения температурной зависимости параметров диэлектриков содержит измерительный СВЧ-тракт, выполненный в виде фокусирующей антенны, соединенной с выходом СВЧ-генератора, приемной антенны, соединенной с измерительным входом амплифазометра, опорный вход которого соединен с выходом опорного тракта, вход которого соединен с выходом СВЧ-генератора, и нагреватель исследуемого образца, выполненный в виде концентратора солнечной энергии, центральная часть которого выполнена в виде эллиптического отражателя, являющегося одновременно отражателем фокусирующей антенны, в первом фокусе которого размещен излучатель, а во втором - исследуемый образец, опорный тракт образован вспомогательными приемной и передающей антеннами, вход и выход которых является соответственно входом и выходом опорного тракта, ось концентратора солнечной энергии совмещена с осью эллиптического отражателя фокусирующей антенны, периферическая часть концентратора солнечной энергии выполнена в виде па- рабалоида, фокус которого совпадает с вторым фокусом эллиптического отражателя. 1 ил. XI О ГО ю о ю

/4