close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY3090

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(19)
BY (11) 3090
(13)
C1
6
(51) G 01N 22/04
(12)
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ
КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
(54)
(21) Номер заявки: 970001
(22) 1997.01.03
(46) 1999.12.30
ВЛАГОМЕР
(71) Заявитель: Пунько Н.Н. (BY)
(72) Автор: Пунько Н.Н. (BY)
(73) Патентообладатель: Пунько
колаевич (BY)
Николай
Ни-
BY 3090 C1
(57)
1. Влагомер, содержащий последовательно соединенные между собой сверхвысокочастотный генератор,
антенну, квазиоптическую линию передач с установленными в ней кюветой для контролируемого образца и
отражателем электромагнитных волн и последовательно соединенные приемник излучения, усилитель и
электронный блок обработки данных, отличающийся тем, что квазиоптическая линия передач снабжена установленным между антенной и кюветой для контролируемого образца поляризационным делителем пучка
электромагнитных волн, к одному из плечей которого подключен своим входом приемник излучения, а отражатель электромагнитных волн выполнен в виде преобразователя поляризации отражательного типа.
2. Влагомер по п. 1, отличающийся тем, что поляризационный делитель пучка электромагнитных волн
выполнен четырехплечевым.
3. Влагомер по одному из пп. 1-2, отличающийся тем, что он снабжен согласованной нагрузкой, подключенной ко второму плечу поляризационного делителя пучка электромагнитных волн, при этом приемник
излучения подключен к четвертому плечу делителя.
4. Влагомер по одному из пп. 1-3, отличающийся тем, что антенна выполнена в виде формирователя
квазиоптического пучка электромагнитных волн.
5. Влагомер по п. 4, отличающийся тем, что антенна выполнена в виде волноводно-лучевого перехода.
6. Влагомер по одному из пп. 1-5, отличающийся тем, что в качестве квазиоптической линии передачи
использован полый диэлектрический волновод.
Фиг. 1
BY 3090 C1
(56)
1. Бензарь В.К. Техника СВЧ-влагометрии. - Мн.: Вышэйшая школа, 1974. - С. 64.
2. Беренцвейг Р.А., Терещенко А.Ф., Кошелев Ю.Д. Автодиннофазовый метод измерения влажности листовых материалов// Строительные материалы. - 1967. - № 10. - С. 31-32.
3. Бензарь В.К. Техника СВЧ-влагометрии. - Мн.: Вышэйшая школа, 1974. - С. 240 (прототип).
Изобретение относится к технике измерений на СВЧ (сверхвысокие частоты), в частности к сверхвысокочастотной влагометрии.
Известен измеритель влажности по степени поглощения радиоволн сверхвысокой частоты [1].
Измеритель содержит последовательно соединенные сверхвысокочастотный генератор (СВЧ), передающую
антенну, кювету для контролируемого образца, приемную антенну, приемник излучения, блок обработки,
причем СВЧ тракт выполнен на основе волновой линии передачи прямоугольного сечения.
Основным недостатком указанного устройства является низкая точность измерений, обусловленная неучетом анизотропии диэлектрических свойств влажного материала. В данном устройстве слой влажного материала «просвечивается» электромагнитной волной одной (в данном случае линейной) поляризации.
Поляризация зондирующей волны задается типом волновода. Это вызывает ошибку измерений, связанную с
неопределенностью взаимной ориентации плоскости поляризации электромагнитной волны и преимущественных направлений тензора диэлектрической проницаемости влажного материала (анизотропией диэлектрических свойств). Анизотропия вызывается как технологическими, так и химическими факторами
исследуемого объекта. Большинство влажных материалов обладают анизотропией диэлектрических свойств.
Это связано с рядом причин:
собственная анизотропия диэлектрических свойств, обусловленная текстурой материала, условиями его
производства или происхождения и т.п.;
строением молекулы воды и характером ее взаимодействия с другими веществами и материалами. Например, в пористых материалах молекулы воды располагаются по стенкам пор и за счет своей структуры
создают упорядоченные цепочки, что приводит к образованию преимущественных направлений. Увлажнение материалов приводит к увеличению собственной анизотропии диэлектрических свойств полярными молекулами воды. В изотропных в исходном (сухом) виде материалах молекулы воды под воздействием
различных факторов (химические связи, технология изготовления, внешние и внутренние поля и др.) создают упорядоченные цепочки, которые приводят к образованию преимущественных направлений, а следовательно, и к появлению анизотропных диэлектрических свойств.
Последние данные указывают, что даже под действием силы тяжести молекулы воды упорядочиваются.
Это явление наглядно проявляется в коллоидных растворах, где частички примесей образуют упорядоченные цепочки.
Вторым недостатком данного устройства является необходимость двустороннего доступа к контролируемому объекту.
Известен СВЧ влагомер для измерения влажности листового асбестоцемента [2].
Измеритель содержит СВЧ генератор, антенну, кювету с контролируемым образцом, отражатель, приемник излучения, блок обработки данных, причем СВЧ тракт выполнен на основе волноводной линии передачи
прямоугольного сечения.
Недостатком указанного устройства является большая ошибка измерений, обусловленная использованием зондирующей волны одной (линейной) поляризации, что не позволяет учитывать анизотропию диэлектрических свойств влажного материала.
Другим недостатком данного устройства является сильная зависимость показаний влагомера от взаимного расположения антенны, контролируемого образца и отражателя. Это не только снижает точность измерений, но и значительно усложняет конструкцию устройства. (Автодин расположен на стойке, которая при
помощи специального механизма может передвигаться).
Наиболее близким аналогом-прототипом является СВЧ влагомер с односторонним расположением антенн [3].
Влагомер содержит последовательно соединенные между собой сверхвысокочастотный генератор, антенну, квазиоптическую линию передач с установленными в ней кюветой для контролируемого образца и
отражателем электромагнитных волн и последовательно соединенные приемник излучения, усилитель и
электронный блок обработки данных, причем приемник соединен с антенной через волноводный направленный ответвитель, а СВЧ тракт выполнен на основе волноводной линии передачи.
Устройство работает следующим образом. Микроволновое излучение от СВЧ генератора через волноводный направленный ответвитель поступает на приемопередающую антенну. Контролируемый образец «просвечивается» дважды прямой и обратной волной, отраженной от поверхности отражателя. Волна, дважды
прошедшая образец и ослабленная в нем, с приемной антенны через направленный ответвитель поступает на
2
BY 3090 C1
приемник излучения. Продетектированный сигнал поступает в блок обработки, где определяется величина
ослабления принятой волны относительно интенсивности падающей, что и является мерой влажности контролируемого материала.
Недостатком данного устройства является низкая точность измерений, обусловленная использованием
зондирующей волны одной (линейной) поляризации, что не позволяет учитывать анизотропию диэлектрических свойств влажного материала. Это связано с неопределенностью взаимной ориентации плоскости поляризации СВЧ волны и осями тензора диэлектрической проницаемости влажного материала, а также
неопределенностью величины отношения осей тензора проницаемости.
Другим недостатком прототипа является выделение ослабленной во влажном материале волны с помощью волноводного направленного ответвителя, что приводит к значительным потерям полезного сигнала, а
следовательно, снижает динамический диапазон измеряемых влажностей (в области больших влажностей).
Недостаток также проявляется в узкополосности волноводного СВЧ тракта относительно квазиоптической линии передачи. Это затрудняет, а в ряде случаев и исключает, применение методик измерений, основанных на изменении частоты или использовании нескольких частот.
В основу настоящего изобретения положена задача: повышение точности измерений, увеличение диапазона рабочих частот влагомера, создание конструкции влагомера, легко перестраиваемой для различных условий измерений, уменьшение габаритов и веса СВЧ тракта влагомера.
Поставленная задача достигается тем, что во влагомере содержащем последовательно соединенные между собой сверхвысокочастотный генератор, антенну, квазиоптическую линию передач с установленными в
ней кюветой для контролируемого образца и отражателем электромагнитных волн и последовательно соединенные приемник излучения, усилитель и электронный блок обработки данных, согласно изобретению, квазиоптическая линия передач снабжена установленным между антенной и кюветой для контролируемого
образца поляризационным делителем пучка электромагнитных волн, к одному из плечей которого подключен своим входом приемник излучения, а отражатель электромагнитных волн выполнен в виде преобразователя поляризации отражательного типа.
Возможно, чтобы во влагомере поляризационный делитель был выполнен четырехплечевым.
Предпочтительно, чтобы влагомер был снабжен согласованной нагрузкой, подключенной ко второму
плечу поляризационного делителя пучка электромагнитных волн, при этом приемник излучения подключен
к четвертому плечу делителя.
Конструктивно, чтобы во влагомере антенна была выполнена в виде формирователя квазиоптического
пучка электромагнитных волн.
Технологично, чтобы во влагомере антенна была выполнена в виде волноводно-лучевого перехода.
Возможно также выполнение влагомера, в котором в качестве квазиоптической линии передачи был использован полый диэлектрический волновод.
Как отмечалось выше, большинство влажных материалов обладают анизотропией диэлектрических
свойств. При измерении влажности известными устройствами существует неопределенность между плоскостью поляризации зондирующей волны и направлениями осей тензора диэлектрической проницаемости. Это
вызывает ошибку измерений, так как показания влагомера связаны с величиной проекции тензора диэлектрической проницаемости на плоскость поляризации зондирующей СВЧ волны.
Введение дополнительных элементов в сочетании с новой схемой соединений элементов СВЧ тракта и
его исполнением дали следующий положительный эффект.
Слой контролируемого материала в кювете "просвечивается" двумя пучками электромагнитных волн со
взаимно ортогональной поляризацией. Это обеспечивает отражатель, выполненный как вращатель плоскости
поляризации отражательного типа. При отражении прошедшего через контролируемый образец пучка электромагнитных волн преобразователь изменяет его поляризацию на взаимно ортогональную.
Дополнительно введенный в устройство поляризационный делитель выполняет следующие функции. Он
пропускает на контролируемый образец от СВЧ генератора пучок электромагнитных волн определенной
(например, линейной) поляризации и направляет на приемник излучения дважды прошедший через образец
и ослабленный в нем пучок со взаимно ортогональной поляризацией. Причем излучение, не прошедшее контролируемый образец, а отраженное от него, пропускается поляризационным делителем в передающий тракт.
В результате на приемник направляется только излучение, прошедшее через образец в прямом и обратном
направлениях. Это эквивалентно просвечиванию контролируемого образца одновременно двумя пучками
электромагнитных волн со взаимно ортогональной поляризацией.
Комплексные составляющие тензора показателя преломления N контролируемого материала в двух взаимно ортогональных направлениях в плоскости, перпендикулярной направлению распространения квазиоптического пучка электромагнитных волн, запишем в виде:
N1=n1-i⋅x1,
N2=n2-i⋅x2,
3
BY 3090 C1
где n1 , n2 - действительные части компонент показателя преломления, x1, x2 - мнимые части, i - мнимая единица.
Из опыта известно, что для анизотропных сред разница между значениями действительных составляющих n1 и n2 показателя преломления невелика. Разница между мнимыми значениями x1 и x2 может быть значительной.
При измерениях влажности материалов по величине затухания электромагнитных волн "работает" именно мнимая часть показателя преломления.
Электромагнитную волну в квазиоптическом пучке приближенно можно считать плоской.
Пусть падающий на контролируемый материал пучок поляризован линейно и плоскость поляризации
совпадает с направлением одной из компонент показателя преломления. Интенсивность прошедшей через
слой контролируемого материала волны равна
J1 = J 0 ⋅ E −α1h ,
4π
x 1 , J0 - интенсивность падающей волны, J1 - интенсивность прошедшей волны, Е - напряженλ
ность электрического поля, h - толщина слоя, λ - длина волны излучения, π = 3,14.... Если изменить поляризацию прошедшей волны на взаимно ортогональную и направить ее в обратном направлении, то
интенсивность вторично прошедшей материал волны будет равна
h
α + α2
J 2 = J1E −α 2h = J 0 E −(α1 +α 2 ) = J 0 E 1
2h ,
2
4π
x2 .
где α 2 =
λ
Таким образом, при двойном прохождении электромагнитной волной слоя контролируемого материала
анизотропия показателя преломления усредняется.
Если плоскость поляризации падающей волны не совпадает с направлением одной из компонент показателя
преломления, то падающую волну можно представить как сумму двух, поляризованных во взаимно ортогональных плоскостях, совпадающих с направлениями компонент показателя преломления. Для каждой из
компонент анизотропия показателя преломления усредняется, а следовательно, и интенсивность суммарной
волны на выходе определяется усредненным по взаимно ортогональным направлениям значениями мнимой
части показателя преломления.
Из описанного выше вытекает, что в предложенном устройстве повышена точность измерений за счет того, что исключена зависимость интенсивности прошедшей волны, а следовательно, и показаний влагомера,
от анизотропии диэлектрических свойств влагосодержащего материала.
Дополнительно точность измерений повышается за счет того, что в предложенной схеме поляризационный делитель выполняет роль невзаимного устройства, обеспечивая высокую степень развязки между приемником и генератором СВЧ излучения. Это приводит к малому коэффициенту стоячей волны на приемнике,
обеспечивая его работу в режиме бегущей волны. Кроме того, это обстоятельство делает необязательным развязку СВЧ тракта со стороны приемника и позволяет исключить из схемы СВЧ тракта невзаимный элемент со
стороны приемника.
Исключение из схемы невзаимного элемента, помимо упрощения и удешевления СВЧ тракта, увеличивает рабочий диапазон частот, по крайней мере приемной части, влагомера, который, в данном случае, определяется характеристиками выбранного приемника излучения. Известно, что невзаимные элементы являются
одними из наиболее узкополосных узлов СВЧ трактов.
Дополнительно введенная в предложенное устройство согласованная нагрузка поглощает паразитную составляющую СВЧ волны, вызванную несовершенством поляризационного делителя и неоднородностями
СВЧ тракта. Это уменьшает коэффициент стоячей волны в тракте, а следовательно, повышает точность измерений.
Выполнение основной части СВЧ тракта в виде квазиоптической линии передачи увеличивает рабочий
диапазон частот влагомера за счет большей широкополосности примененной линии передачи. Например,
волноводная линия передачи на базе полого металлического волновода прямоугольного сечения имеет рабочую полосу частот 40 % относительно средней частоты. Квазиоптическая линия передачи на базе полого диэлектрического лучевода круглого сечения имеет полосу частот 140 % относительно средней частоты.
Квазиоптические радиоизмерительные приборы общего применения на основе поляризационных одномерных металлических сеток имеют рабочую полосу частот, обеспечивающую их работу во всем диапазоне частот полого диэлектрического лучевода.
Рабочая полоса частот предложенного влагомера определяется характеристиками выбранного типа
квазиоптической линии передачи и может быть, как показано на примере выше, значительно больше полосы
волноводной линии передачи. Введение в СВЧ тракт квазиоптических радиоизмерительных приборов (полягде α1 =
4
BY 3090 C1
ризационный делитель, согласованная нагрузка, преобразователь поляризации отражательного типа) не ограничивает рабочую полосу частот.
Выполнение СВЧ тракта влагомера в виде квазиоптической линии передачи позволило, помимо широкополосности, использовать еще одно свойство указанной линии, а именно нечувствительность к поляризации
передаваемой волны. Это обеспечило возможность глубокой развязки генератора и приемника, как показано
выше, за счет взаимно ортогональной поляризации прямого и обратного пучков. Дополнительно, роль развязывающего аттенюатора играет влагосодержащий контролируемый образец - поглотитель СВЧ энергии.
Выполнение основной части измерительного тракта на базе квазиоптической линии передачи и квазиоптических измерительных приборов (делитель, отражатель, нагрузка) позволяет подключать к СВЧ тракту широкополосные СВИП - генераторы или одновременно два и более генераторов разных частот. Измерения в
диапазоне либо на нескольких частотах одновременно позволяют получить дополнительную информацию,
реализовать новые алгоритмы измерения влажности и, в конечном итоге, повысить точность измерений.
В предложенном устройстве уменьшены габариты и вес СВЧ тракта за счет направления прошедшей через контролируемый материал волны в участок СВЧ тракта, из которого она выходила.
Предложенная конструкция влагомера может быть легко перестроена для различных условий измерений.
Это достигается за счет возможности выведения участка тракта с измерительной кюветой в любую часть
прибора. Измерительную кювету можно разместить внутри корпуса влагомера или вывести через переднюю
панель или верхнюю (боковую) крышку за пределы корпуса прибора. Предложенная схема соединений СВЧ
тракта это обеспечивает.
При непрерывных измерениях влажности в потоке контролируемый движущийся материал пропускается
между основным блоком влагомера и отражателем. Вращатель плоскости поляризации отражательного типа
представляет собой пассивный элемент, не требующий питания. Поэтому на практике всегда имеется техническая возможность выбрать конструкцию влагомера, обеспечивающую необходимые условия измерений.
При этом величина зазора между влагомером и отражателем определяется техническими характеристиками
примененных источников и приемников СВЧ электромагнитных волн и может составлять, например, 1000
мм.
Вращатель плоскости поляризации (отражатель) можно просто погрузить в жидкий или сыпучий материал, зафиксировав таким образом толщину слоя контролируемого материала.
Влагомер поясняется чертежами, где
на фиг. 1 приведена структурная электрическая схема влагомера;
на фиг. 2 показана схема влагомера на базе полого диэлектрического лучевода круглого сечения;
на фиг. 3 представлен вариант лучевода, изломанного под углом 90° на участке размещения кюветы;
на фиг. 4 приведена схема влагомера для непрерывного контроля движущихся ленточных материалов;
на фиг. 5 приведена схема конструкции лучевода, погружаемого в контролируемую жидкость;
на фиг. 6 приведен пример блок-схемы влагомера;
на фиг. 7 показан пример исполнения конструкции измерительного блока влагомера на базе круглого диэлектрического лучевода.
Устройство (по фиг. 1) содержит последовательно соединенные сверхвысокочастотный генератор 1 микроволнового излучения, антенну-формирователь 2 квазиоптического пучка, поляризационный делителитель
3, кювету 4 для контролируемого материала, преобразователь 5 поляризации отражательного типа, а также
согласованную нагрузку 6, подключенную ко второму плечу делителя, и последовательно соединенные приемник 7 излучения, усилитель 8 и блок 9 обработки данных, подключенные к четвертому плечу делителя.
Поляризационный делитель 3 представляет собой устройство, которое пропускает на выход (плечо III)
поступившую на его вход (плечо I) электромагнитную волну и направляет на второй выход (плечо IV) обратную волну, имеющую относительно прямой взаимно ортогональную поляризацию.
На третий выход (плечо II) делителя поступает часть СВЧ энергии, не прошедшая через него от генератора на кювету для контролируемого материала. Доля этой энергии зависит от соответствия поляризации поступающей на вход делителя волны и его пропускающей способности. Микроволновая энергия,
поступающая на "плечо II", может быть использована для создания опорного измерительного канала, контролирующего уровень микроволнового излучения, поступающего на измеряемый влагосодержащий образец.
Преобразователь 5 поляризации отражательного типа представляет собой устройство, которое преобразует
поляризацию падающей на него волны во взаимно ортогональную и направляет преобразованную волну в
обратном направлении. Например, падающую на преобразователь линейно поляризованную волну он превращает также линейно поляризованную обратную волну, но с плоскостью поляризации 90 ° относительно
падающей.
Согласованная нагрузка 6 поглощает не прошедшую через делитель СВЧ энергию, а также "паразитные"
излучения, возникающие из-за рассеяния на неоднородностях СВЧ тракта.
5
BY 3090 C1
Тракт СВЧ, соединяющий антенну-формирователь 2 квазиоптического пучка, делитель 3, кювету 4 для
контролируемого материала, отражатель 5, а также нагрузку 6 и приемник 7, выполнен в виде квазиоптической линии передачи. В целом это образует квазиоптический измерительный блок.
Антенна, выполненная в виде формирователя 2 квазиоптического пучка, представляет собой устройство,
формирующее остронаправленный (расходимость менее 10 °) близкий к параллельному, ограниченный в
пространстве пучок электромагнитных волн. Поперечные размеры квазиоптического пучка лежат в пределах
(5-100)λ, где λ - длина волны излучения. Расходимость квазиоптических пучков обусловлена в основном дифракционной расходимостью и определяется соотношением длины волны излучения и поперечных размеров
пучка. На практике расходимость колеблется от десятых долей до единиц градусов. Распределение мощности по сечению квазиоптических пучков неравномерное и определяется выбранным типом линии передачи.
Примером формирователя квазиоптического пучка служит диэлектрическая линза с рупорным облучателем,
оптический центр которого расположен в фокусе линзы.
Влагомер, согласно изобретению, работает следующим образом.
Микроволновое излучение от СВЧ генератора 1 поступает на антенну-формирователь 2 квазиоптического
пучка. Пучок электромагнитных волн проходит поляризационный делитель 3, кювету 4 с размещенным в ней
влажным материалом и поступает на преобразователь поляризации отражательного типа 5. С выхода преобразователя 5 пучок, имеющий взаимно ортогональную поляризацию относительно подающего, направляется
в обратном направлении, вторично проходит образец 4, поступает на делитель 3 и последним направляется
на приемник излучения 7. Продетектированный электрический сигнал, пропорциональный интенсивности
дважды прошедшей влажный материал волны, поступает на усилитель 8 и далее - на блок обработки 9. В
блоке обработки 9 формируется значение влажности контролируемого материала в зависимости от степени
ослабления СВЧ волны и градуировочной характеристики влагомера. В согласованной нагрузке 6 поглощается паразитная часть падающей СВЧ волны, обусловленная характеристиками поляризационного делителя
3 и формирователя 2.
Изобретение поясняется на примере реализации влагомера для различных вариантов его конструктивного
использования.
На фиг. 2 приведена структурная электрическая схема влагомера на базе полого диэлектрического лучевода круглого сечения.
Устройство содержит последовательно соединенные генератор 1 микроволнового излучения, формирователь 2 квазиоптического пучка, поляризационный делитель 3, кювету 4 для контролируемого материала,
преобразователь 5 поляризации отражательного типа, а также согласованную нагрузку 6, подключенную ко
второму плечу делителя, и последовательно соединенные приемник 7 излучения, усилитель 8 и блок обработки
9, подключенные к четвертому плечу делителя. Тракт СВЧ, соединяющий формирователь, делитель, кювету,
преобразователь, нагрузку и приемник, выполнен в виде квазиоптической линии передачи на базе полого диэлектрического лучевода круглого сечения 10, помещенного в металлический корпус 11.
Формирователь 2 представляет собой волноводно-лучевой переход, содержащий рупорный облучатель
(РО), расположенный в фокусе диэлектрической линзы (ДЛ). Делитель 3 выполнен на основе одномерной
поляризующей проволочной сетки, установленной под углом 45° к оси лучевода. Кювета 4 для контролируемого материала выполнена из диэлектрика и установлена в специальное гнездо в корпусе 11 лучевода.
Влагомер, согласно изобретению, работает следующим образом.
Микроволновое излучение от генератора 1 поступает на волноводно-лучевой переход 2, который возбуждает основной тип волны ЕН11 полого диэлектрического лучевода круглого сечения. Причем возбужденная в
лучеводе волна имеет линейную поляризацию. Поляризующая сетка делителя 3 вращением вокруг своей оси
ориентирована таким образом, что проволочки сетки перпендикулярны плоскости поляризации возбужденной в лучеводе волны. При этих условиях возбужденная волна проходит через сетку и через кювету 4 с контролируемым материалом поступает на преобразователь 5. В преобразователе плоскость поляризации
поступившей на него волны поворачивается на 90 °. Отраженная от него волна ортогональной относительно
падающей поляризации вторично "просвечивает" кювету с контролируемым материалом и поступает на делитель 3. Так как поляризация обратной волны изменена таким образом, что проволочки сетки делителя стали параллельными плоскости поляризации обратной волны, она полностью отражается и поступает на
приемник 7 излучения. Сигнал с приемника, пропорциональный интенсивности дважды прошедшей контролируемый материал и ослабленной в нем волны, усиливается усилителем 8 и поступает в блок обработки 9.
Величина ослабления СВЧ волны, прошедшей контролируемый материал, служит мерой измерения влажности.
Если по каким-либо причинам сетка делителя ориентирована неточно или поступающая со стороны первого плеча волна не является линейно поляризованной, например, из-за деполяризации на неоднородностях
СВЧ тракта, то через делитель проходит только линейно поляризованная компонента падающей волны с
плоскостью поляризации, перпендикулярной проволочкам сетки. Остальная часть мощности отражается во
второе плечо делителя и поглощается согласованной нагрузкой 6. При этом автоматически обратная волна,
6
BY 3090 C1
поступившая на делитель, со стороны третьего плеча, отражается в четвертое и поступает на приемник 7 излучения, так как плоскость поляризации ее повернута на 90 ° преобразователем 5. Отметим, что в данном
случае делитель выполняет дополнительную функцию поляризатора излучения.
Отметим также, что только волна, дважды прошедшая контролируемый материал, попадает на приемник
излучения. Часть мощности, отраженная от стенок кюветы и других несогласований СВЧ тракта, проходит
через делитель в обратном направлении, так как ее поляризация не изменена и совпадает с первоначальной.
Это также повышает точность измерений.
Делитель на основе одномерной поляризующей металлической сетки является частотнонезависимым
элементом, поэтому рабочий диапазон частот влагомера определяется характеристиками применяемых генераторов СВЧ и лучевода. Напомним, что рабочая полоса частот полого диэлектрического лучевода составляет 140 % относительно средней частоты.
Весь СВЧ тракт влагомера, изображенного на фиг. 2, может быть размещен в едином корпусе, представляющем собой две металлические трубы, соединенные "крестом". Участок такой трубы, содержащий кювету
для контролируемого материала, может быть выведен в любое удобное для измерений место за пределы
корпуса прибора, а также изогнут в нужном направлении при помощи уголкового лучеводного поворота.
Металлический корпус 11 придает конструкции необходимую прочность и обеспечивает экранирование СВЧ
излучения.
На фиг. 3 приведен пример исполнения измерительного блока, в котором отрезок круглого диэлектрического лучевода одновременно служит боковыми стенками измерительной кюветы 4. Для удобства пользователя лучевод изломан под углом 90 °. Металлическое отражающее зеркало 12 закреплено в точке М на
металлическом корпусе 11 лучевода 10 подвижно. Отражатель 12 отводится в сторону и кювета 4 с контролируемым материалом 13 устанавливается в корпус 11 лучевода 10. Отрезок лучевода, использующийся в качестве кюветы заглушен, радиопрозрачной вставкой 14. Вращатель поляризации 5 одновременно фиксирует
местоположение кюветы.
Измерительная ячейка, изображенная на фиг. 3, удобна для измерения влагосодержания жидких и сыпучих материалов. Преимуществом является наличие только одной стенки 14 на пути пучка электромагнитных
волн. Кроме того, весь помещенный в кювету контролируемый материал попадает в зону действия электромагнитной волны.
Измерительная кювета в виде отрезка лучевода конструктивно может быть выполнена и по-другому. Например, участок корпуса лучевода делается съемным, а под ним отрезок лучевода заменяется на кювету.
Существенным является то, что разрыв полого диэлектрического лучевода не влияет на условия распространения в нем электромагнитной волны (не нарушает его работу).
На фиг. 4 приведен пример установки влагомера для непрерывного контроля движущихся ленточных материалов (бумажное полотно, ткани и т.п.). Движущаяся лента 15 пропускается в разрыв между поляризационным делителем 3 и вращателем поляризации 5. Влагомер конструктивно может быть выполнен из двух
блоков 3 и 4, соединенных кабелем. Валки 16 служат для натягивания контролируемой ленты.
Отличительной особенностью влагомера, изображенного на фиг. 5, является длинный лучевод - труба 17,
который погружается в контролируемую жидкость 18. Измерительной ячейкой служит пробка из радиопрозрачного материала 19, имеющая сквозное отверстие 20, в которое затекает контролируемая жидкость 18.
Пробкой 19 заглушен конец лучевода 10. Вращатель поляризации 5 размещен за пробкой 19 в едином корпусе (трубе) 11. В корпусе лучевода 11 проделаны соответствующие окна для соединения отверстия в пробке
19 с окружающей средой.
Представленный влагомер позволяет измерять влажность жидкости в емкостях на различной глубине изменением величины погружения датчика. (Сквозное отверстие 20 при этом делается под углом для вытекания и автоматического заполнения измерительной ячейки новой порцией жидкости при движении зонда).
На фиг. 6 приведен пример блок-схемы влагомера, где Г - генератор СВЧ; БПГ - блок питания генератора; ФКП - формирователь квазиоптического пучка; ПД - поляризационный делитель; ВП - вращатель поляризации; СН - согласованная нагрузка; Пр - приемник СВЧ излучения; У - усилитель; И- индикатор.
В примере на фиг. 6 не приведены схема стабилизации мощности СВЧ генератора (включена в состав генератора) и схема калибровки и автокалибровки влагомера (включены в состав усилителя и индикатора).
Влагомер работает следующим образом. Излучение от генератора СВЧ (Г) формируется в квазиоптический пучок формирователем ФКП и через поляризационный делитель (ПД) направляется на радиопрозрачную кювету с контролируемым материалом (О). Деполяризованная составляющая квазиоптического пучка
направляется ПД в согласованную нагрузку (СН) и поглощается в ней. Прошедший через образец пучок изменяет поляризацию на взаимно ортогональную во вращателе поляризации (ВП), отражается в обратном направлении и вторично проходит через образец.
Так как поляризация отраженного пучка взаимно ортогональна падающему, то в ПД он ответвляется в
измерительный канал и поступает на приемник СВЧ излучения (Пр).
7
BY 3090 C1
Напряжение, выделяемое на приемнике Пр, пропорциональное интенсивности СВЧ волны, усиливается
(У) и индицируется на индикаторе (И) в соответствии с градуировочной кривой зависимости величины затухания СВЧ волны от влажности контролируемого материала.
Калибровку влагомера можно осуществлять при пустой (без материала) кювете либо по контрольным образцам.
Фиг. 7 иллюстрирует пример исполнения измерительного блока влагомера на базе круглого диэлектрического лучевода, где
4 - радиопрозрачная кювета; 13 - контролируемый материал; 10 - круглый диэлектрический лучевод; 11 металлический корпус лучевода; 5 - вращатель плоскости поляризации отражательного типа.
Условия распространения СВЧ волн в круглом диэлектрическом лучеводе близки к условиям в свободном пространстве. Основной тип волны ЕН11 круглого диэлектрического лучевода может иметь любую поляризацию (линейную в произвольной плоскости, круговую, эллиптическую) и характеризуется малыми
значениями компонент электрического и магнитного полей на ось распространения электромагнитной волны,
которыми можно пренебречь, т.е. можно считать волну ЕН11 плоской.
Металлический корпус 11 придает конструкции необходимую прочность и обеспечивает экранирование
СВЧ излучения.
Конструкция измерительного блока внешне имеет вид металлической трубы с заглушкой 5 и гнездом для
кюветы и может быть выведена в любую зону, удобную для осуществления измерения влажности контролируемых материалов вне зависимости от их агрегатного состояния.
Промышленная применимость влагомера осуществляется на рынках Беларуси и СНГ путем изготовления
опытно-промышленных образцов.
Фиг. 4
Фиг. 2
Фиг. 5
Фиг. 3
8
BY 3090 C1
Фиг. 6
Фиг. 7
Государственный патентный комитет Республики Беларусь.
220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.
9
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
215 Кб
Теги
by3090, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа