Патент на изобретение №2202804
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ЖИДКИХ СРЕД НА СВЧ
(57) Реферат: Изобретение относится к области измерительной техники на СВЧ. Предлагаемый способ измерения относительной диэлектрической проницаемости  жидких сред на СВЧ основан на измерении положения минимума напряжения стоячей волны в длинной линии. При этом используется зависимость электрической длины линии от . Измеряют изменение электрической длины при заполнении измерительного тракта испытуемой жидкостью или освобождении от нее. При этом определяют число полуволн N, характеризующее изменение электрической длины, и частоту f1, соответствующую минимуму напряжения стоячей волны в заполненном измерительном тракте, ближайшую в сторону уменьшения от частоты, соответствующей минимуму стоячей волны в пустом измерительном тракте. Техническим результатом является повышение разрешающей способности при проведении измерений жидких или сыпучих диэлектрических материалов. 3 ил.
Изобретение относится к области измерительной техники изоляционных материалов, в частности к способам измерения диэлектрической проницаемости. Ближайшими аналогами предлагаемого способа измерения являются резонансные методы измерения диэлектрической проницаемости в соответствии с ГОСТ 27496.2-87, с. 16-21. Особые преимущества этих методов на СВЧ по сравнению с другими, как указано в ГОСТе, определяются возможностью реализовать высокую добротность Q. Высокая добротность обеспечивает возможность измерения низких значений тангенса угла диэлектрических потерь и высокую разрешающую способность метода по относительной диэлектрической проницаемости : где  – разрешающая способность, fмин – минимальное отклонение частоты,f – резонансная частота с диэлектриком, – отношение резонансного напряжения UP к напряжению U, соответствующему минимальному отклонению от резонанса.
При  При  Таким образом, разрешающая способность резонансного метода целиком определяется добротностью резонатора, нагруженного измеряемым материалом. Однако высокая добротность в этом случае может быть реализована лишь для диэлектрических сред, обладающих малым тангенсом угла диэлектрических потерь. Большинство твердых и жидких диэлектрических материалов этому требованию не удовлетворяет, особенно с учетом наличия в них различных примесей. Проблема обеспечения высокой разрешающей способности  для материалов, не отвечающих требованию малых диэлектрических потерь, решается в фазовом методе измерения диэлектрической проницаемости на СВЧ [2, 3].
Простейший вариант структурной схемы фазового метода изображен на фиг.1.
Измерение комплексной диэлектрической проницаемости в фазовом методе происходит путем сравнения измеряемого материала с эталонным.
Измеряемый материал помещается в измерительный тракт 4; с помощью фазовращателя 2 и аттенюатора 3 устанавливаются фаза и амплитуда сигнала, соответствующие эталонному материалу. По изменению фазы   на фазовращателе и величине диэлектрической проницаемости эталонного материала ЭT определяется диэлектрическая проницаемость измеряемого материала . где n – электрическая длина измерительного тракта, заполненного измеряемым материалом,n – изменение электрической длины по сравнению с эталонным материалом.
Разрешающая способность определяется соотношением то есть разрешающая способность тем выше, чем больше электрическая длина измерительного тракта с измеряемым материалом. Так, например, при минимальном изменении электрической длины  Однако существенной проблемой для этого метода является необходимость подбора эталонного материала. Требования к этому подбору тем выше, чем больше электрическая длина измерительного тракта, так как допустимая величина отклонения от эталона не должна превышать  Это обусловлено периодическим характером фазовых характеристик. Таким образом, при больших n , требуемых для высокой разрешающей способности, подбор необходимого эталонного материала в большинстве случаев не удается реализовать, в особенности для жидких материалов, например, нефтепродуктов, органических соединений и т.д.
Предлагаемый способ измерения диэлектрической проницаемости распространяется на жидкие материалы и, в какой-то мере, может быть использован для сыпучих материалов.
Предлагаемый способ измерения относительной диэлектрической проницаемости жидких сред на СВЧ основан на измерении положения минимума напряжения стоячей волны в длинной линии. При этом используется зависимость электрической длины линии от , которая выводится из известных соотношений, связывающих с постоянными распространения электромагнитных волн в диэлектрическом материале [1].
Существенное отличие предлагаемого способа состоит в том, что измеряют изменение электрической длины при заполнении измерительного тракта испытуемой жидкостью или освобождении от нее. При этом определяют число полуволн N, характеризующее изменение электрической длины, и частоту f1, соответствующую минимуму напряжения стоячей волны в заполненном измерительном тракте, ближайшую (в сторону уменьшения) от частоты, соответствующей минимуму стоячей волны в пустом измерительном тракте. На фиг.2 представлен простейший вариант структурной схемы, в которой реализуется предлагаемый способ измерения .В качестве источника сигнала используется перестраиваемый по частоте СВЧ генератор 1 с измерителем частоты 2. Сигнал через циркулятор 3 поступает в измерительный тракт 5, который представляет собой длинную линию, закороченную с одного конца. Во входной части измерительного тракта расположен зонд, через который с помощью детекторной головки 6 снимается сигнал, пропорциональный квадрату напряжения стоячей волны, и фиксируется на индикаторе 7. Число импульсов, соответствующих прохождению сигнала через минимум стоячей волны, фиксируется визуально или с помощью счетчика импульсов 8. Предлагаемый способ реализуется следующим образом. С помощью генератора и измерителя частоты устанавливается частота f0, соответствующая минимуму напряжения стоячей волны в пустом измерительном тракте. Затем измерительный тракт заполняют испытуемой жидкостью. Заполнение производится вдоль оси распространения электромагнитных волн. После заполнения измерительного тракта испытуемой жидкостью частота f уменьшается относительно f0 и устанавливается частота f1, ближайшая к f0, соответствующая минимальному напряжению стоячей волны. В процессе заполнения или освобождения измерительного тракта от испытуемой жидкости происходит изменение электрической длины тракта, что приводит к периодическому прохождению через зонд минимального напряжения стоячей волны. Количество прошедших минимумов N характеризует изменение электрической длины и измеряется визуально или с помощью цифрового индикатора. Скорость заполнения определяется инерционностью счетчика. Поэтому при использовании электронных счетчиков скорость заполнения тракта жидким диэлектриком практически не ограничена. Второй вариант реализации предложенного способа представлен в структурной схеме на фиг.3. В отличие от первого варианта здесь добавляются второй генератор 2, смеситель 3 и измеритель разности частот 4. Вместо частоты f1, соответствующей минимуму напряжения стоячей волны в заполненном волноводе, измеряется разность частот f=f0-f1, соответствующих минимуму напряжения стоячих волн в пустом и заполненном волноводе.
Величина определяется из соотношений, учитывающих тип используемого измерительного тракта, и варианта предлагаемого способа.
Для коаксиального тракта: в первом варианте во втором варианте  для волновода: в первом варианте  во втором варианте  где f0 – частота, соответствующая минимуму напряжения стоячей волны в пустом измерительном тракте; n0 – число полуволн на частоте f0 в свободном пространстве с геометрической длиной, равной длине измерительного тракта l0, соответствующей расстоянию от зонда до короткозамкнутого конца тракта;  0 – длина волны в свободном пространстве на частоте f0;а – размер поперечного сечения волновода. Все указанные параметры при выбранной конструкции измерительного тракта и фиксированном диапазоне частот являются постоянными величинами, не зависящими от свойств измеряемых материалов. Указанные соотношения выводятся из фундаментального уравнения для относительной диэлектрической проницаемости [1]: где  и  – постоянные распространения;c – критическая длина волны используемого тракта.
Второй вариант предлагаемого способа обладает более высокой разрешающей способностью за счет большей точности отсчета разности частот.
Однако он в связи с усложнением структурной схемы является более дорогим.
Поэтому вопрос о выборе варианта решается в зависимости от конкретных требований.
При проверке предлагаемого способа в качестве испытуемой жидкости использовался толуол. Поверка проводилась по первому варианту в соответствии со структурной схемой фиг.2. Функции генератора и измерителя частоты выполнял стандартный генератор типа Г4-83. Использовался волноводный циркулятор сечением 23 х 10 с согласованной коаксиальной нагрузкой (КСВН 1,4), подключенной к выходу циркулятора через стандартный волноводно-коаксиальный переход.
Измерительный тракт представлял собой волновод сечением 23 х 10, закороченный с одного конца. Вблизи другого конца расположен зонд, с которого с помощью детекторной головки снимается сигнал, пропорциональный напряжению стоячей волны. В детекторной головке используется диод типа Д405. В качестве индикатора используется вольтметр типа В7-27А/1. Расстояние между зондом и короткозамкнутым концом волновода соответствует l0= 18,38 см. На таком расстоянии на частоте f0=9792 МГц, соответствующей длине волны в свободном пространстве 0= 3,0637 см, укладывается n0=12 полуволн. Число полуволн N, соответствующее изменению электрической длины при заполнении или освобождении измерительного тракта от толуола, определялось визуально и соответствовало N=8.
Ближайшая от f0 частота, соответствующая минимуму напряжения стоячей волны, после заполнения измерительного тракта толуолом составляла f1=9401 МГц.
Подставляя данные, обуславливаемые конструкцией измерительного тракта, f0= 9792 МГц, 0=3,0637 см, n0=12, 2а=4,6 см и измеренные N=8, f1=9401 МГц в соотношении (6) получим Измерения проводились при температуре t=25oC. При указанной температуре согласно справочным данным [4] значение для толуола составляет 2,379.
Основными преимуществами предлагаемого способа являются измерение относительной диэлектрической проницаемости с высокой разрешающей способностью и устранение необходимости использования эталонных материалов.
Литература1. Материалы электроизоляционные. Методы определения диэлектрических свойств на частотах свыше 300 МГц. ГОСТ 27496.1-87, с.4-5, ГОСТ 27496.2-87, с.16-21. 2. Валитов Г.А., Сретенский В.Н. Радиоизмерения на сверхвысоких частотах. – ВИ МО СССР, Москва, 1958. 3. Гвоздев В. Н. , Новдальский В.А., Линев А.А. Измерительная техника, 1996, 4. 4. Гороновский И.Т. и др. Краткий справочник по химии. – Киев: “Наукова Думка”, 1974. Формула изобретения
РИСУНКИ
MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 14.12.2006
Извещение опубликовано: 27.01.2008 БИ: 03/2008
|
||||||||||||||||||||||||||
