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

Изобретение относится к технике измерений на сверхвысоких частотах (СВЧ) и может использоваться для определения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, твердых диэлектриков в широком температурном диапазоне вплоть до температур оазрушения.

Известно устройство дня 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 исследуемый образец диэлектрика.

Однако это устройство для измерения температурной зависимости параметров диэлектриков имеет недостаточный интервал температур исследования, ограниченный температурой плззления сплава, из которого изготовлен измерительный резонатор и недостаточно высокое значение точности, определяемое типом испопьзуемо о резонатора.

Известно устройство для измерения температурной згзисимостп параметров диэлектриков, содержащее нагревательный элемент, выполяечяь.: в виде концентратора солнечной энергии, измерительный тракт, в котором рззмещен держатель образца исследуемого диэлектрика, при этом

ю

вход измерительного тракта соединен с источником СВЧ сигнала, а выход через блок обработки подключен к регистратор.

Однако известное устройство для измерения температурной зависимости параметров диэлектриков также не обеспечивает высокую точность измерений.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для измерения температурной зависимости параметров диэлектриков, содержащее нагревательный элемент, выполненный в виде концентратора солнечной энергии и измерительный открытый проходной резонатор, образованный двумя сферическими зеркалами,

Однако известное устройство для измерения температурной зависимости параметров диэлектриков обладает тем недостатком, что обеспечивает только односторонний нагрев образца исследуемого диэлектрика, что ведет к неравномерности прогрева по объему образца, что также снижает точность измерений.

Цель изобретения - повышение точности измерений путем уменьшения градиента температур в образце, при обеспечении измерения температурной зависимости параметров диэлектриков в диапазоне частот и температур.

Цель достигается тем, что в устройстве для измерения температурной зависимости диэлектрика, содержащем нагревательный элемент, выполненный в виде концентратора солнечной энергии, измерительный СВЧ тракт, в котором размещен держатель образца исследуемого диэлектрика, причем измерительный тракт выполнен в виде открытого резонатора, образованного двумя зеркалами, одно из которых служит комбинированным элементом для концентрации СВЧ энергии на исследуемом диэлектрике и солнечной энергии для его нагрева, при этом вход измерительного тракта соединен с источником СВЧ сигнала, а выход - через блок обработки подключен к регистратору, согласно изобретению, измерительный тракт выполнен в виде отражательного открытого резонатора, меньшее из зеркал которого выполнено в виде плоского диска, изготовленного из графита, и соединено с источником тока, Кроме того, с целью уменьшения сброса энергии за счет излучения, на графитовый диск с тыльной стороны наносится термостойкое покрытие из оксидной керамики с низкой излучательной способностью, например, из МдО.

На фиг.1 приведена конструкция устройства для измерения температурной за- зисимости параметров диэлектриков; нз

фиг.2 - структурная схема блока обработки; на фиг.З - эпюры, поясняющие работу.

Предлагаемое устройство содержит два нагревательных элемента, один из которых

выполнен в виде концентратора солнечной энергии 1, выполняющего одновременно функцию сферического зеркала резонатора, а второй в виде плоского графитового диска 2. соединенного с источником тока 3, при

этом диск 2 одновременно выполняет функцию плоского зеркала резонатора, измерительный тракт, выполненный в виде открытого отражательного резонатора 4, образованного сферическим зеркалом-концентратором 1 и плоским зеркалом 2, причем вход (он же выход) измерительного тракта подключен к источнику СВЧ сигнала 5, а через ответвитель 6, детектор 7 и блок обработки 8 к регистратору 9, выполненному, например, в виде шлейфозого осциллографа, ходовой винт 10 на котором закреплены держатель 11 образца 12, являющийся одновременно держателем вакуумной камеры, образованной углеродным

диском 2 и кварцевым колпаком 13, вакуумный насос 14, фотоэлектрический пирометр 15,затвор 16.

Устройство для измерения температурной зависимости параметров диэлектриков

работает следующим образом. Источник 5 СВЧ - сигнала, представляющий собой свип-генератор, вырабатывает переменный по частоте и постоянный по мощности СВЧ- сигнала, причем частота сигнала меняется

по пилообразному закону. Указанный сигнал с выхода источника 5 подается на вход открытого отражательного резонатора 4. Образец 12 исследуемого диэлектрика помещается вплотную на зеркало 2 отражательного резонатора 4 и при одновременном открытии затвора 16 и включении источника тока 3 подвергается двухстороннему нагреву, что обеспечивает по истечении определенного времени равномерный прогрев образца.

Вследствие изменения диэлектрической проницаемости Ј и тангенса угла диэлектрических потерь tg д материала образца 12 в процессе нагрева изменяется

резонансная частота открытого отражательного резонатора 4 и его добротность. При детектировании на выходе детектора 1 имеем сигнал в виде резонансной кривой, сдвиг которой во времени несет информацию об

изменении, а изменение ее ширины - информацию об изменении tg д. Колоколооб- разный импульс детектора 7 подается на входы блока В обработки по каналам5-и tg 6, где он сравнивается с опорными импульсами, вырабатываемыми в блоке 8. В результате сравнения в блоке 8 обработки формируются импульсы, длительность которых пропорциональна величинам изменения Ј. и tg д. Далее эта длительность преобразуется в сигнал постоянного напряжения, который может быть записан на шлейфовом осциллографе.

Схема блока обработки включает в себя три группы элементов: канал обработки, канал обработки tg б и формирователь сигнала запрета.

В канале измерения производятся следующие операции:

Формирование из колоколообразного импульса, поступающего на вход блока, прямоугольного, передний фронт которого совпадает с вершиной резонансной характеристики.

2.Выделение временного интервала пе- редним фронтом импульса, описанного в п.1 и опорным импульсом, смещенным на фиксированный интервал относительно момента времени, соответствующего началу прямого хода пилообразного напряжения, модулирующего генератор СВЧ.

3.Преобразование временного интервала, сформированного по п.2 в постоянное напряжение, величина которого определяется значением материала образца.

В канале измерения tg 6 происходят следующие преобразования:

1 .Формирование из колоколообразного импульса, поступающего на вход блока, прямоугольного импульса с крутыми фрон- тами, длительность которого соответствует ширине резонансной характеристики по уровню точек перегиба.

2.Выделение временного интервала между задним фронтом импульса, рассмот- ренного в предыдущем пункте, и задним фронтом импульса, формируемого генератором опорного значения tg д0п.

3.Преобразование указанного временного интервала в постоянное напряжение, величина которого соответствует значению tg д материала образца.

Ф ормирователь сигнала запрета вырабатывает импульс, длительность которого определяется длительностью обратного хо- да пилообразного напряжения модуляции. Этот импульс используется при получении опорного сигнала Јол., а также закрывает схемы запрета каналов измерения, и tg д на время обратного хода свипирования для защиты от ложных срабатываний.

Предлагаемое устройство для измерения температурной зависимости параметров диэлектриков обеспечивает удобное

регулирование частоты открытого отражательного резонатора 4. а также температуры образца 12 путем регулировки падающего на неге теплового потока с помощью механизма перемещения, выполненного в виде ходового пинта 1C, образца 12 вдоль оси солнечной печи, вследствие которого образец 12 уходит из фокуса печи. Синхронно с этим регулированием осуществляется регулирование теплового режима контактного подогревателя, компонентами которого являются диск 2 и источник тока 3.

Вакуумная камерз, образованная углеродным диском 2 и кварцевым колпаком 13. толщина и форма сгенки которого выбраны из условия минимального искажения структуры поля в резонаторе, вместе с вакуумным насосом 14 обеспечивают вакуум, необходимый для уменьшения конвективного теплообмена. Отсос продуктов газификации, осуществляемый через отверстие, конструктивно рзсположенное в трубчатом держателе 11 образца исследуемого диэлектрика, повышает величину добротности резонатора, чем также способствует повышению точности измерений.

Кроме того, конструкция предлагаемого устройства обеспечивает измерение высоких температур нз образце бесконтактным способом, например, фотоэлектрическим .пирометром 15, работающим в провале солнечного спектра.

Предлагаемое устройство для измерения температурной зависимости параметров диэлектриков повышает точность измерения при сохранении максимально достижимых уровней температур нз образце. Автоматизация процесса измерений, исключая необходимость механической перестройки открытого отражательного резонатора в процессе нагрева образца, значительно упрощает проведение измерений и способствует повышению их точности.

Формула изобретения 1 .Устройство для определения температурной зависимости параметров диэлектрика, содержащего нагревательный элемент. выполненный в виде концентратора солне1 - ной энергии, измерительный СВЧ-тракт. : котором размещен держатель исследуемого диэлектрика, причем измерительный тракт выполнен в виде открытого резонатора, образованного двумя зеркалами разного диаметра, большее из которых служит комбинированным элементом для концентрации СВЧ-энергим на исследуемом диэлектрике и солнечной энергии для его нагрева, при этом выход измерительного трактатерез детектор и блок обработки, соединенные последовательно, подключен к регистратору, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения путем уменьшения градиента температур е образце, введен направленный ответвитель, измерительный тракт выполнен в виде отражательного открытого резонатора, меньшее из зеркал которого выполнено в виде нагреваемого проводящего плоского диска, выполненного из графита, при этом

0

выход генератора через направленный ответвитель соединен с измерительным трактом, а ответвляющий выход направленного ответвителя соединен с входом детектора. 2.Устройство поп.1,отличающее- с я тем, что, с целью расширения температурного диапазона измерений, на нагреваемый проводящий плоский диск с тыльной стороны нанесено термостойкое покрытие из оксидной керамики с низкой излучзтель- ной способностью.

Изобретение относится к технике измерений нз СВЧ и может использоваться для определения температурной зависимости параметров твердого диэлектрика в условиях комбинированного нзгрэвг концентри- оозанкой солнечной энергией к энергией источника постоянного тока. Цель изобретения- повышение точности измерений путем уменьшения градиента температуры в образце. Сущность изобретения состоит в том, что в устройстве для определения температурной зависимости параметров диэлектрика, согласно изобретению, измерительный тракт выполнен с виде отражательного открытого резонатора, меньшее из зеркал которого выполнено п виде плоского диска, изготовленного из графита, и соединено с источником тока, при этом оба зеркала от- оажательного резонанса являются нагревательными элементами. Кроме того, с целью уменьшения сброса энергии за счет излучения на графитовый диск с тьтьной стороны наносится термостойкое покрытие из оксидной керамики с низкой излучательной способностью, например из оксида магния МаО. 3 ил. С

15

риг 1

; /

У

Редактор

Фиг 3

Составитель Е.Адамова

Техред М.МоргенталКорректор Т.Вашкович

pЈ/ff 2