CN86202503U - 反射式微波水份测试装置 - Google Patents

Abstract

一种可测高含水量的反射式微波水份测试装置，通过在其变送部分采用缩短型定向耦合器、二口波导开关和匹配型天线探头等物件以及将定向耦合器、波导开关和功率检测器三体合一，使测试装置结构简化、可靠性大为提高。

Description

本实用新型涉及利用微波测流体试样中含水量的测试装置，特别是一种改进的可测高含水量的反射式微波水分测试装置。

根据微波受水分影响而衰减的现象，人们早就利用微波来测量物质中的含水量，大都采用透射波法，即让微波穿过被测试样，用接收器检测随试样含水量不同而相位和强度也不同的透射波，从而测得试样的含水量。这种方法，在含水量变化较小范围内，因透射波的强度随含水量的增多而单调减弱是可行的；但是，在含水量变化较大范围内，透射波的强度，因反射波干扰并不单调增减而是在减弱总趋势中时强时弱。为此，有人提出利用试样相对微波的第一界面的反射波来测含水量的方案。其原理是：试样的含水量会导致介电常数增大，于是波阻抗减小，反射系数增加，因此反射波强度也随含水量增加而增加。1983年华东石油学院学报第三期发表的《利用微波在介质上的反射来测石油中含水量》一文中所述装置，便是此方法一例。如图1所示，该装置主要由微波固态源、天线式探头、环形器、检波器、微波吸收筒、换向开关、监视臂、截止阀体等构成。微波固态源产生9.370GHz的等幅微波。天线探头，是发射端装有介质密封窗的圆锥形喇叭天线，它既用来向试样发射微波，又用来接收试样界面来的反射波。其介质密封窗，对微波传播畅通无阻，而对试样，则堵阻向波导系统的渗漏，故又称堵头。环行器，是利用磁化了的铁氧体的各向异性性质做成的非互易微波元件，用来分离发射波和反射波。检波器，是用晶体检波器将接收到的反射波转换成相应的电信号。微波吸收筒用来吸收未被反射掉的透射波。监视臂，是阻抗可调微波元件，通过调节可产生一定强度的微波反射值，代替标准样品接在测量系统中，供仪器自校、换向开关，提供自校与实测的通道转换。

由于在实际应用中，环行器的检波器一端对微波源为通路状态，还需加上隔离器来衰减从检波器来的反射波，以免影响微波源。而环行器、隔离器都是铁氧体制成的传输器件，对温度相当敏感，导致测试装置受温度影响大，测试精度不稳定，可靠性差等缺点。另外，由于圆锥形喇叭天线探头是通过法兰盘直接与三公分标准矩形波导口连接，驻波比大，又需用三螺钉调配器来调小驻波比，而这只能在点频上实现，一旦有微小频率漂移，又会使调配性能变差，加上调配螺钉极易受振动而改变调配性能，因此机械性能可靠性也差。还有，用于自校的监视臂，实质上是一个反射系数可调的微波元件，其反射系数由短路板的位置和电阻片的电阻率所决定，这二个因素也都会随时间和温度起变化，使测试精度的可靠性降低，而且从实用角度看，欲获得较稳定的反射系数，不仅制造工艺要求高，而且自校中的调试操作也很繁琐。

本实用新型的目的是要提供一个结构简化并对温度、时间和频率具有稳定性的、可靠性高的反射式微波水分测试装置。

本实用新型用微波金属结构的定向耦合器替代环行器，为此采用减高波导结构，使定向耦合器的尺寸做得为一般定向耦合器的1／3。由于该定向耦合器能在功率检测器和微波源之间起很好的隔离作用，因此可省去隔离器。本实用新型又用独特的二口波导开关替代了以往作自校用的换向开关和监视臂，该波导开关的壳体上只有二个口，并且其转子内的波导不是弯曲状的，而是直通形状的。在其转子柱体表面上加工有两个对称的光滑平面，这两个平面的公共垂直中心线与上述转子内的直通形波导的轴线成正交（也不一定是成垂直90°角，也可以成比90°角或大或小的角，但无论是从加工还是使用看，显然是正交更为合适），通过转子上的操作件可使该波导开关有二种转换状态：（1）通路状态：直通形波导与壳体的两口吻接相通，此时测量装置为实测试样含水量的工作状态，微波经波导开关畅通无阻；（2）短路状态：上述两光滑平面与壳体两口相对合，对微波源来的微波全反射，此时测量装置为自校状态，即利用全反射面反射的全部微波功率校准满度测量值。

本实用新型对天线探头也作了改进，它将以往天线探头上的圆锥形喇叭天线改成从3公分标准矩形波导口向发射端的圆波导口快速渐变的喇叭天线，从而改善了天线本身的匹配，同时又对天线探头上的堵头作了改进，用机械强度高、憎水性好、耐高温、耐腐蚀、微波损耗小的介质材料如聚砜制成一个由无槽球面头螺钉及以该螺钉端面为底的圆锥体为一体的堵头，该堵头上的外螺纹直接与上述喇叭天线发射端圆波导口处的内螺纹相吻接，堵头的尺寸比例选得使天线具有最佳匹配。用这种天线探头可使驻波比很小，不必再用调配器。

为了进一步简化结构，提高可靠性，本实用新型中的波导开关和功率检测器分别直接做在定向耦合器的两端，使它们三体合一。

以下结合附图详细说明本实用新型。

图1是现有的反射式微波测量装置的工作原理图。

图2是本实用新型的工作原理图。

图3是本实用新型的用于测石油试样含水量的一实施例示图。

参照图3，该装置的微波固态源〔1〕，由体效应管和振荡腔体所组成，利用体效应管的负阻效应，产生频率为9.37OGHz的等幅微波，输出幅度≥30mw。天线探头〔2〕，采用匹配型天线探头，它将微波源来的微波发射至石油中，同时也接收石油界面上反射回来的反射波，装在天线发射端圆波导口上的聚砜材料制的堵头，对微波传播畅通无阻，对石油起堵阻作用，以防石油从天线口进入波导系统，它同时对天线起补偿匹配作用。定向耦合器〔3〕，是根据小孔耦合理论制成的非互易元件，起分离发射波和反射波作用，由于采用减高一半的波导结构，本实施例的定向耦合器仅130mm长，仅为一般定向耦合器长度的1／3。功率检测器〔4〕，是铋锑薄膜热电阻式功率计，它把接收到的反射波转换成相应的电信号供显示部分指示，其温度特性和一致性均优于晶体管检波器。微波吸收筒〔5〕，是均涂有石墨导电层的介质筒及筒内介质片所构成，它能将未被石油反射掉的透射波全部吸收。波导开关〔6〕，用于对仪表进行监测，自校时，它置于短路状态，转子的光滑平面对定向耦合器来的微波全反射，就用这反射的全部微波功率校正满度测量值，考虑到反射面的反射强度过大，会引起显示器超满度，本实施例还在显示电路中设置一分压电路。另外考虑到石油中的油水混合状态有“油包水”、“水包油”两种状态，本实施例利用两状态电阻率的区别，在天线探头〔2〕的周围装一环形补偿电极〔7〕进行补偿，以保证相同含水量的不同状态下获得同样指示值。截止阀体〔8〕连接输油管，提供连续测试的油样。法兰盘〔9〕经加工与天线探头〔2〕组成一体，在本装置中起支撑作用，隔热板〔10〕对被测高温油的热量进行隔离，以免影响微波源与功率检测器的正常工作。

本实用新型具有以下优点：（1）省去了环行器、隔离器等温度敏感器件，代之温度稳定性好的定向耦合器使整个装置温度稳定性大大提高；（2）省去了监视臂、换向开关代之波导开关作自校系统，不仅结构简化，制作简单而且调试方便，可靠性高；（3）采用匹配型喇叭天线探头，驻波比很小，无需调配器，结构进一步简化；（4）将定向耦合器、波导开关、功率检测器三体合一，提高装置的可靠性。

Claims (3)

1、一种反射式微波水分测试装置，由显示部分和变送部分构成，其变送部分包括：微波固态源、天线探头、微波吸收筒、截止阀体、功率检测器，其特征是其变送部分还包括一个具有减高波导结构的尺寸较之一般定向耦合器缩短2-3倍的定向耦合器、一个由内有直通形波导的转子和其相对应的二口壳体组成的二口波导开关，该有二个转换状态的波导开关，其转子柱体表面上有两个对称的光滑平面，该两平面的公共垂直中心线与上述直通形波导的轴线成正交。

2、按权利要求1所述的装置，其特征是天线探头由一个从3公分标准矩形波导口向发射端圆形波导口快速渐变的喇叭天线和一个用机械强度高、憎水性好、耐高温、耐腐蚀的微波损耗小的介质材料如聚砜制成的堵头构成，该堵头由无槽球面头螺钉及以该螺钉端面为底的圆锥体一体构成，并且尺寸比例取决于与天线的匹配，该堵头上的外螺纹直接与上述喇叭天线的圆波导口处内螺纹相吻接。

3、按权利要求1、2所述的装置，其特征是波导开关和功率检测器不加任何连接件分别直接做在其定向耦合器的两端，使定向耦合器、波导开关和功率检测器三体合一。

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