Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru wilgotnosci wzglednej przedmiotu przy pomocy mikrofal oraz urzadzenie do pomiaru wilgotnosci wzglednej przedmiotu przy pomocy mikrofal.Znany jest sposób pomiaru wilgotnosci produk¬ tów w drodze wazenia. Produkty badane wazy sie w stanie suchym i w stanie wilgotnym. Absolut¬ na zawartosc wilgoci jest zatem równa róznicy wyniku dwóch wazen. Wilgotnosc wzgledna i|j (w procentach) jest równa y[%]= 100- mM. mH. + md gdzie mw stanowi mase ilosci wystepujacej wody, a m sób wazenia w procesie ciaglym jest jednakze nad¬ zwyczaj czasochlonny i drogi, tak ze od pewnego czasu wprowadzona w zycie inne sposoby pomia¬ ru.Z publikacji "Aqueous dielectries", J. B. Hasted, wyd. Chapman and Hall, Londyn, str. 57, 238, zna¬ ny jest sposób pomiaru wilgotnosci materialu na bazie okreslania zlozonej stalej dielektrycznej e wilgotnego materialu przez pomiar zlozonej impe- dancji mikrofalowej (tlumienie i przesuniecie fazy).Sposób ten polega na umieszczeniu przedmiotu przeznaczonego do pomiaru w aplikatorze sygnalu mikrofalowego, posiadajacym znane wlasnosci me¬ chaniczne i elektryczne, a nastepnie na mierzeniu wplywu, jaki wywiera badany przedmiot na wlas- 10 15 20 25 30 nosci dielektryczne aplikatora. Na podstawie spe¬ cyficznych wlasciwosci wody w zakresie mikrofa¬ lowym, zlozona stala dielektryczna stanowi miare absolutnej ilosci wystepujacej wody. Przyrzad opar¬ ty na tym sposobie jest opisany w artykule A.Kraszewskiego, pt. "Microwave instrumentation for moisture content measurement", Journal of Micro- wave Power, Tom 8, Nr 3/4, 1973, str. 323—335.Jednakze w sposobie tym dla okreslenia wilgotno¬ sci wzglednej t|j konieczny jest oddzielny pomiar gestosci, na przyklad poprzez wazenie, co stanowi wade tego sposobu.Z publikacji "Einige Probleme der industriellen Feuchtigkeitsmessung mit Mikrowellen", J. Kalin¬ skiego, drukowanej w Mikrowellenmagazin, nr 6, 1978, str. 441—452, znany jest sposób pomiaru wil¬ gotnosci wzglednej badanego przedmiotu o stalej gestosci, temperaturze i o zadanym ksztalcie na podstawie wyprowadzenia krzywej kalibrujacej dla wilgotnosci wzglednej. Niedogodnosc tego sposobu polega na tym, ze przedmiot badany zawsze musi posiadac ten zadany ksztalt. Przy pomiarze cia¬ glym (na pasie transmisyjnym) jest to niewygodne, poniewaz wysokosc przedmiotu badanego (pszeni¬ ca, kawa, piasek, tyton) na pasie transmisyjnym nie jest stala i tym samym jest wprowadzana bez¬ posrednio jako blad pomiaru w okresleniu wilgot¬ nosci wzglednej.Sposób pomiaru wilgotnosci wzglednej przedmio¬ tu niezaleznie od jego grubosci i/lub gestosci jest 130 7573 130 757 4 znany z artykulu "An improved microwave method of moisture content measurement and control", A. Kraszewskiego i J. Kalinskiego, IEEE Trans, IECI, Tom 23, nr 4, 1976, str. 364^370. Sposób ten jest oparty na stwierdzeniu, ze jezeli przedmiot badany jest jednorodny, zas tlumienie oraz przesu¬ niecie fazy zmieniaja sie liniowo z ciezarem wody i ciezarem przeznaczonego do pomiaru suchego przedmiotu, wówczas mozna wprowadzic wzór na wilgotnosc wzgledna, niezalezny od gestosci lub wysokosci warstwy.Pomimo wspomnianych ograniczen, nakladanych przy, wyprowadzeniu wzoru, nadal jednak wyste¬ powala zaleznosc od wysokosci warstwy przedsta¬ wiona na stronie 368, na figurze 6 i 7 tej publi¬ kacji. Stwierdzono, ze wystepujace bledy zaleza od zawartosci wilgoci i z tego wzgledu stanowia duza przeszkode w pomiarach.Z polskiego opisu patentowego nr 108122 jest znany sposób ciaglego pomiaru wilgotnosci przy pomocy mikrofal, polegajacy na wytworzeniu fali elektromagnetycznej, przeslaniu jej poprzez wil¬ gotna substancje i na pomierzeniu amplitudy i fa¬ zy tej fali, w którym to sposobie dla próbki wil¬ gotnego materialu o ustalonej gestosci i grubosci warstwy mierzy sie przebieg zaleznosci tlumienia i przesuniecia fazy od wilgotnosci tego materialu, przy czym nachylenie unormowanej do gestosci i grubosci warstwy charakterystyki tlumienia opi¬ suje sie funkcja f3, nachylenie unormowanej do gestosci i grubosci warstwy charakterystyki prze¬ suniecia fazy opisuje sie funkcja f4, wartosci unor¬ mowanego do gestosci i grubosci warstwy przesu¬ niecia fazy dla wilgotnosci równej zero, opisuje sie funkcja fi, a wartosc tlumienia unormowanego do gestosci i grubosci. warstwy dla wilgotnosci rów¬ nej zero, opisuje sie funkcja f2, nastepnie uzyska¬ ne w wyniku ciaglego pomiaru informacje, oddziel¬ nie o amplitudzie i fazie fali elektromagnetycznej przechodzacej przez badana substancje, wspólnie z poprzednio wyznaczonymi funkcjami fi, f2, f3 i f4 przetwarza sie w ukladzie algebraicznym we¬ dlug zaleznosci' w_Afl+yQ ?B + Af4 gdzie: W jest wilgotnoscia substancji o dowolnej gestosci i grubosci warstwy, A — informacja o tlu¬ mieniu i niku ciaglego pomiaru wilgotnosci substancji.Sposób ten jednakze nie jest przydatny do po¬ miaru wilgotnosci wzglednej materialu niezaleznie od jego gestosci i wysokosci, co jest konieczne na przyklad przy pomiarze ciaglym wilgotnosci wzglednej kolejnych partii materialu na przesuwa¬ jacym sie pasie transmisyjnym (pszenica, kawa, piasek itp.).Z tego samego polskiego opisu patentowego nr 108122 jest znane realizujace powyzszy sposób — urzadzenie do ciaglego pomiaru wilgotnosci przy pomocy mikrofal, zawierajace generator wytwarza¬ jacy sygnal mikrofalowy fali ciaglej, uklad do umie¬ szczenia badanej próbki i detektory sygnalu mikro¬ falowego, przy czym wyjscie generatora mikrofa¬ lowego dolaczone jest do ukladu pomiarowego, a wyjscia ukladu pomiarowego dolaczone sa jedno do ukladu detektora fazy, a drugie do ukladu de¬ tektora amplitudy, przy czym wyjscia obu ukladów detekcyjnych dolaczone sa do ukladu algebraicz- 5 nego realizujacego zaleznosc w_Af1+9f2 ?f3 + Af4 polaczonego z ukladem odczytowym. W urzadzeniu 10 tym, uklad pomiarowy zawiera jeden czujnik po¬ miarowy umieszczony w poblizu badanej substan¬ cji oraz szeregowo polaczone element umozliwiaja¬ cy dokonanie ciaglego pomiaru przesuniecia fazy i element umozliwiajacy dokonanie ciaglego pomiaru 15 tlumienia, przy czym wyjscia tych elementów po¬ miarowych stanowia wyjscie ukladu pomiarowe¬ go.Celem wynalazku jest opracowanie prostego i dokladnego sposobu pomiaru wilgotnosci wzglednej 20 badanego przedmiotu niezaleznie od jego wysoko¬ sci i gestosci, przy pomocy mikrofal.Sposób pomiaru wilgotnosci wzglednej przedmio¬ tu przy pomocy mikrofal, w którym zestawia sie przedmiot badany z ukladem do umieszczenia próbki, posiadajacym znane wlasnosci mechanicz¬ ne i elektryczne, a nastepnie mierzy sie wplyw, jaki wywiera przedmiot badany na wlasnosci di¬ elektryczne tego ukladu przy czestotliwosci rezo¬ nansowej, wedlug wynalazku, charakteryzuje sie tym, ze okresla sie wartosc A dana wzorem A^«'(l.p)-1 e"(l 35 gdzie e'('y,?) stanowi czesc rzeczywista, £ ^»P) stanowi czesc urojona stalej dielektrycznej s = e0(s'—je"), zas q jest gestoscia badanego przed- 40 miotu, a nastepnie wyznacza sie wartosc wilgot¬ nosci t| z krzywej kalibracyjnej A(ip) dla otrzyma¬ nej wartosci A, która to krzywa kalibracyjna jest wlasciwa dla materialu przedmiotu badanego i dla mechanicznych i elektrycznych wlasnosci ukladu 35 do umieszczania próbki.Odmiana sposobu pomiaru wilgotnosci wzgled¬ nej charakteryzuje sie tym, ze okresla sie wartosc A dana wzorem A = * ^'p- ~ gdzie e'(yl?) sta- 50 tan 8 nowi czesc rzeczywista «"(tp,p) stanowi czesc urojo¬ na stalej dielektrycznej e=e0(ef — je"), tan e" ¦5= — , zas q stanowi gestosc badanego przedmio- e 55 tu, a nastepnie wyznacza sie wartosc wilgotnosci t|j z krzywej kalibracyjnej A(t|) dla otrzymanej wartosci A, która to krzywa kalibracyjna jest wla¬ sciwa dla materialu przedmiotu badanego i dla mechanicznych i elektrycznych wlasnosci ukladu 60 do umieszczenia próbki.Dla obydwu tych sposobów w etapie zestawiania przedmiotu badanego z ukladem do umieszczenia próbki korzystnie wykonuje sie pomiar zespolone¬ go wspólczynnika przesylania oraz zespolonego 65 wspólczynnika odbicia. 15 20 25130 757 6 Urzadzenie do pomiaru wilgotnosci wzglednej przedmiotu przy pomocy mikrofal, zawierajace ge¬ nerator mikrofalowy, uklad do umieszczenia ba¬ danej próbki, detektor sygnalu mikrofalowego, oraz elementy mierzace przesuniecie fazowe i tlumie¬ nie przesylania mikrofal z generatora przez uklad do umieszczenia próbki do detektora, wedlug wy¬ nalazku, charakteryzuje sie tym, ze do wyjscia elementów mierzacych przesuniecie fazowe i tlu¬ mienie przesylania jest podlaczony element wy¬ znaczajacy wartosc A, która jest dana wzorem A «'-! *" " A.-*. gdzie $a stanowi przesuniecie fazowe bez przed¬ miotu badanego w ukladzie do umieszczenia prób¬ ki, a Oc stanowi przesuniecie fazowe z przedmio¬ tem badanym w ukladzie do umieszczenia próbki, zas Ae stanowi tlumienie przesylania z przedmio¬ tem badanym w tym ukladzie, a do wyjscja tego elementu jest podlaczona jednostka przetwarzaja¬ ca do wyznaczenia zawartosci wilgotnosci ty z war¬ tosci okreslonej dla A za pomoca krzywej kalibra- cyjnej A(ty).Odmiana urzadzenia do pomiaru wilgotnosci wzglednej przedmiotu przy pomocy mikrofal, po¬ siadajacego generator mikrofalowy, uklad do umie¬ szczenia badanej próbki, zwlaszcza wspólosiowy aplikator, oraz detektor sygnalu mikrofalowego, wedlug wynalazku, charakteryzuje sie tym, ze za¬ wiera elementy do pomiaru zespolonego wspól¬ czynnika przesylania Sa oraz zespolonego wspól¬ czynnika odbicia Su mikrofali z generatora przez badany przedmiot w aplikatorze do detektora, przy czym do wyjscia tych elementów jest podlaczony element do wyznaczania wartosci A dana wzorem A_,^l_i-'oRg gdzie e0s stanowi stala dielektryczna powietrza, a Rf stanowi czesc rzeczywista, zas I* — czesc urojo¬ na impedancji mikrofalowej Z=Re+jI£ badanego przedmiotu, zas Z_R ,n_0-Sn)l-Sl, zas do wyjscia elementu do wyznaczania wartosci A jest podlaczony element do wyznaczania wilgot¬ nosci ty z wartosci wyznaczonej dla A za pomoca krzywej kalibracyjnej A(ty).Nastepna odmiana urzadzenia do pomiaru wil¬ gotnosci wzglednej przedmiotu przy pomocy mi¬ krofal, posiadajacego generator mikrofalowy, uklad do umieszczenia próbki, majacy postac prowadnicy falowej, oraz detektor sygnalu mikrofalowego, we¬ dlug wynalazku charakteryzuje sie tym, ze za¬ wiera elementy do pomiaru zespolonego wspólczyn¬ nika przesylania Sa oraz zespolonego wspólczynni¬ ka odbicia Sn mikrofali z generatora przez bada¬ ny przedmiot w prowadnicy falowej do detektora, przy czym do wyjscia tych elementów jest podla¬ czony element do wyznaczania wartosci A dana wzorem gdzie £0 stanowi stala dielektryczna powietrza^ a Rc stanowi czesc rzeczywista, zas Ie — czesc uro¬ jona zespolonej impedancji mikrofalowej Z=Rfi+jI, przedmiotu badanego w prowadnicy falowej, nato¬ miast X stanowi dlugosc fali w prowadnicy falo¬ wej, a Xc stanowi dlugosc fali w chwili zakonczenia pracy prowadnicy falowej, przy czym Z R lii <1~S"l-S" zas do wyjscia elementu do wyznaczania wartosci A jest podlaczony element do wyznaczania wilgot¬ nosci ty z wartosci wyznaczonej dla A za pomoca krzywej kalibracyjnej A(ty).Jeszcze jedna odmiana urzadzenia do pomiaru wilgotnosci wzglednej przedmiotu przy pomocy mi¬ krofal, wedlug wynalazku, charakteryzuje sie tym; ze zawiera rezonator mikrofalowy, elementy do po¬ miaru czestotliwosci rezonansowej f oraz wspól¬ czynnika jakosci Q odpowiednio bez przedmiotu badanego w rezonatorze (f0 i Q0) oraz z badanym przedmiotem umieszczonym w rezonatorze (fi i Qi), przy czym do wyjscia tych elementów jest podla¬ czony element do wyznaczania wartosci A dana wzorem zas do wyjscia elementu do wyznaczania wartosci A jest podlaczony element do wyznaczania wilgot¬ nosci ty z wartosci wyznaczonej dla A za pomoca krzywej kalibracyjnej A(ty).Celem wynalazku jest .takze opracowanie urza¬ dzenia do realizowania mikrofalowego sposobu po¬ miaru wilgotnosci wzglednej badanego przedmiotu niezaleznie ód ^wysokosci i gestosci, a zwlaszcza niskostratnego przyrzadu pomiarowego majacego niska stala dielektryczna t.Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przy¬ kladzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 pokazuje rozmaite rodzaje aplikatorów, które mo¬ ga byc zastosowane do pomiaru wilgotnosci wzgled¬ nej przedmiotu badanego sposobem wedlug wyna¬ lazku, fig. 2 — niezaleznie od gestosci krzywe ka- libracyjne A(ty) dla pszenicy — w i tytoniu — t dla czestotliwosci 12,5 ,GHz, fig. 3 — krzywa kali- bracyjna A(ty) dla tytoniu ze stala gestoscia $=* = 0,26 g/cm*, fig. 4 — kilka punktów pomiarowych dla tytoniu, przy czym zawartosc wilgoci ma byc zmierzona przy rozmaitych gestosciach p, fig. 5 — krzywe kalibracyjne, sluzace do wyznaczania wil¬ gotnosci za pomoca aplikatorów pokazanych na fig, 1 a,b,c,fig. 6 — zmiane tan 6 dla welny w funkcji czestotliwosci pomiarowej przy kilku zawarto¬ sciach wilgoci, fig. 7 — zmiane tan 6 z fig. 6 jako funkcje wilgotnosci wzglednej, fig. 8 — zmia¬ ne e', «" i A w funkcji gestosci o, fig. 9 — schemat blokowy przykladu urzadzenia do pomiaru wilgot¬ nosci wedlug wynalazku, fig. 10 — rozwiazanie praktyczne urzadzenia do pomiaju wilgotnosci .we-. 10 15 20 25 30 35 40 45 53 55 60130 757 dlug wynalazku, a fig. 11 — aplikator do pomiaru zawartosci wilgoci w tytoniu i papierosach.Zasada sposobu mikrofalowego pomiaru wilgot¬ nosci jest oparta na fakcie, ze przy czestotliwo¬ sciach mikrofalowych zalozona stala dielektryczna wody (e=63 — j 31 przy 9 GHz) rózni sie znacz¬ nie od tej stalej dla wielu substancji suchych. W rezultacie tego, wlasciwosci dielektryczne substan¬ cji wilgotnych zaleza w znacznym stopniu od za¬ wartosci wilgoci, .która jest wyrazona wartoscia skladowej rzeczywistej i urojonej stalej dielektry¬ cznej ei=eo(«/ — JO- Dla rozmaitych wykorzystywanych praktycznie materialów (tyton, herbata, pszenica) stwierdzono, ze stosunek (e',c) — lWifyc) dla istotnie niskiej zawartosci wilgoci jest niezalezny od gestosci q.Oznacza to, ze poprzez równoczesne wyznaczenie e' i e" w równaniu A(T) = e"(^p) (1) i wykalibrowanie przyrzadu pomiarowego wedlug A(t|), niezaleznie od gestosci q, mozna okreslic wil¬ gotnosc wzgledna i|. Sposób ten nie musi byc sto¬ sowany jedynie do materialów, których faza i tlu¬ mienie zmieniaja sie liniowo z zawartoscia wody oraz gestoscia suchej substancji, lecz w ogólnosci stosuje sie do przypadku, gdy mianownik równania (1) jest proporcjonalny do jego licznika.Jednakze dla pewnych materialów, na przyklad welny, równanie (1) niewystarczajaco prawidlowo opisuje wyniki eksperymentalne. W tych przypad¬ kach stosuje sie korzystniej zmodyfikowana war¬ tosc A*(oj) z równania A*(Y) = c'M»,p)-l tanS(^,p) (2) Zasadniczo nie jest mozliwe przy pewnej cze¬ stotliwosci pomiarowej bez poznania wymiarów ba¬ danego przedmiotu wyznaczenie, bezwzglednie i równoczesnie wartosci skladowej rzeczywistej i uro¬ jonej stalej dielektrycznej, jak wskazano powyzej w równaniu (1). Jak zostanie wyjasnione ponizej, wartosc A moze byc mierzona niezaleznie od dlu¬ gosci, która zawiera e' i e" i moze byc tak dobra¬ na, aby byla niezalezna od gestosci badanych pro¬ duktów.Przyklad I. Przyklad dotyczy linii i torów przesylowych, miedzy innymi, linii paskowych, prowadnic falowych lub wolnej przestrzeni, wyste¬ pujacej przykladowo miedzy dwoma radiatorami tubowymi. Dla stosunku rezystancji falowej prze- nie wysokosci, grubosci) jest umieszczona w apli- katorze szynowym, który moze miec postac kawal¬ ka wspólosiowego kabla, prowadnicy falowej a tak¬ ze wolnej przestrzeni pomiedzy dwoma radiatorami tubowymi. Dla stosunku rezystancji falowej prze¬ strzeni przesylowej Zc bez przedmiotu badanego do zespolonej impedancji Z£ przedmiotu badanego wy¬ nika, ze 25 30 45 50 95 60 8 gdzie Sn stanowi zespolony wspólczynnik odbicia, zas S21 stanowi zespolony wspólczynnik przesyla¬ nia. Przy rezystancjach falowych fal plaskich Z = 12011 (4) \/£.^o i dla wspólosiowych fal TEM otrzymuje sie, ze 10 Z = 4Llnro (5) /e/!*o !l gdzie r0 jest promieniem zewnetrznego przewodu, a ri jest promieniem wewnetrznego przewodu.Wskutek tego otrzymuje sie, ze dla wspólosiowych 15 fal TEM A=~ e',-1 1-£oR £oU (6) 20 gdzie Rg i Ic sa dane równaniem (3). Dla prowad¬ nic falowych typu H otrzymuje sie, ze Z.= 12011 N/£l[x0-(X/Xf)2 (7) gdzie ho stanowi dlugosc fali w momencie wylacze¬ nia, zas A. stanowi robocza dlugosc fali w prowad¬ nicy falowej. Wynika z tego, ze A = «',-! l-(X/Xc)2-«o*. «i *oIt (8) Podobny wzór mozna takze wyprowadzic dla linii, które sa tylko czesciowo wypelnione, linii 35 plaskich i powierzchniowych prowadnic falowych.Równania (6) i (8) sa stosowane dla bardzo dlugich, to znaczy nieskonczonych próbek, w których nie mozna ustalic przesylania, a takze jest bezsensow¬ ne okreslanie dlugosci. W wartosci mierzonej dla 40 A wedlug równania (3), S21 przyjmuje zatem war¬ tosc zero.Dla specjalnego przykladu próbki stanowiacej przedmiot badany o malych stratach i z mala sta¬ la dielektryczna £'i^e0 zastosowanie równania (3) staje sie dla pomiarów praktycznych zbyt niedo¬ kladne. W tym przypadku równiez mozna wyeli¬ minowac dlugosc próbki przez odpowiednie pola¬ czenie mierzonej fazy i tlumienia Poniewaz (D, = ^e [rad] A, = a«e [Np] (9) (10) k-e = ta—' . 2n K = — di) are = ^ e2; <» = 2llf (12) 23-e9 130 757 10 zatem otrzymuje sie: ¦AH-?'-1-^-^ (13) Obecnie zostana przedstawione rozwazania w przypadku rezonatorów. Zmiana czestotliwosci i wspólczynnik jakosci rezonatora po wprowadzeniu dielektryka o malej stratnosci jest obliczony naste¬ pujaco za pomoca teorii zaburzen: fi-fo j/1 1\ —+2(qT-qJ-(I--^ (14) 'K^Ei+M*offi)dVe Indeks O odnosi sie do pól E, H, czestotliwosci f, wspólczynnika jakosci Q i stalej dielektrycznej re¬ zonatora bez badanego przedmiotu, zas indeks 1 odnosi sie do czesciowo wypelnionego rezonatora.Calkowe wyrazenie dla malych zaburzen stanowi wartosc rzeczywista. Dla A wystepuje zatem: 0/Qi-1/Qo) (I5) gdzie: QD — jakosc rezonatora bez produktów badanych, Qi — jakosc rezonatora z produktami ba¬ danymi, f0 — czestotliwosc rezonansowa • pustego rezonatora, i fi — czestotliwosc rezonansowa rezona¬ tora wypelnionego badanymi pro¬ duktami.Ponizej zostanie przedstawiona praktyczna reali¬ zacja niezaleznego od gestosci, mikrofalowego urza¬ dzenia do pomiaru wilgotnosci. Urzadzenie to za¬ wiera przede wszystkim aplikator sygnalu mikro¬ falowego (lub glowice czujnikowa) i tak zwana siec mikrofalowa (w której przykladowo poprzez pomiar przesylanego i odbijanego sygnalu, zlozona impedancja badanego przedmiotu pochodzi od sy¬ gnalu elektrycznego), a ponadto czesc przetwarza¬ nia sygnalu ze wskaznikiem, w którym z mierzo¬ nych sygnalów jest tworzone niezalezne od gesto¬ sci wyrazenie pochodzace z równan (1) i (2), przy¬ kladowo za pomoca mikroprocesora, i jest porów¬ nywane z krzywa kalibracyjna A(t|j) rozwazanego przedmiotu badanego, uzyskana z pomiarów labo¬ ratoryjnych.Na fig. 1 jest pokazane wiele przykladów roz¬ maitych ukladów do umieszczenia badanej próbki tak zwanych aplikatorów. Aplikator z fig. la sta¬ nowi prowadnice falowa 1 z dwoma polaczeniami 3. Prowadnica falowa 1 sklada sie z dolnoprzepu- stowego dielektryku o dosc duzej stalej dielektrycz¬ nej (e«6, na przyklad Stycast), która ulega zmia¬ nie w srodowisku 2 do £^6. Produkt przechodzi w kierunku strzalki 4 nad powierzchnia i zmienia wlasnosci dielektryczne, mierzone za pomoca wspól¬ czynników odbicia i przesylania. Na fig. Ib jest pokazany aplikator zawierajacy dwa zwrócone ku sobie radiatory tubowe 5 i 6. Pomiedzy dwoma ra¬ diatorami tubowymi znajduje, sie przestrzen 7, w której jest wytwarzana plaska fala EM. Przedmiot badany jest umieszczony w przestrzeni 7. Na fig. lc jest pokazany aplikator w postaci linii pasko¬ wej. Na dielektrycznym podlozu 8 znajduje sie przewodzacy pasek 9, który prowadzi sygnal po¬ dawany na wejscie 10 do wyjscia 11. Poniewaz pole wytwarzane przez ten sygnal wystepuje rów¬ niez ponad dielektrycznym podlozem 8, zatem jest okreslony wplyw badanego przedmiotu na aplikato- rze na wlasnosci prowadnicy mikrofalowej.Na fig. 2 sa pokazane krzywe kalibracyjne A(\|j) dla dwóch substancji (pszenicy i tytoniu), zdjete przy 12,5 GHz i przy stalej temperaturze. Krzywa kalibracyjna A(ap), jak juz stwierdzono, jest nieza¬ lezna od gestosci. Dla pokazania zakresu, do ja¬ kiego krzywa kalibracyjna A(\\) jest niezalezna od gestosci, na fig. ,3 jest pokazana krzywa kalibra¬ cyjna A(t|j), która jest zmierzona przy stalej gesto¬ sci q!=0,26 gi/tem8 dla tytoniu przy rozmaitych stop¬ niach zawartosci wilgoci. Dla porównania na fig. 4 jest pokazane kilka punktów pomiarowych A(t|)) dla rozmaitych gestosci q dla tytoniu o niewiado¬ mym stopniu zawartosci wilgoci. Srednia wartosc A miescila sie przy 21, zas rozrzut wynosil ±1. Z porównania tego rezultatu z krzywa kalibracyjna pokazana na fig. 3 wynika, ze zawartosc wilgoci jest 4%, i ze przy pomiarze niezaleznym od gesto¬ sci wprowadzany absolutny blad pomiarowy wy¬ nosi pomiedzy —0,4% a +0,2%.Na fig. 5 sa pokazane krzywe kalibracyjne A(i|j) odnoszace sie do aplikatorów pokazanych na fig. 1.Krzywe kalibracyjne A(i|) jak wynika z fig. 2 i 5, sa wlasciwe dla rodzaju badanego przedmiotu i dla mechanicznych i elektrycznych wlasciwosci uzyte¬ go aplikatora. Wybór czestotliwosci mikrofalowej f, przy której jest okreslana zawartosc wilgoci przed¬ miotu badanego, jest tez nie bez znaczenia. Na fig. 6 jest pokazana zmiana tan $ dla welny jako fun¬ kcja czestotliwosci pomiarowej dla kilku wartosci wilgotnosci wzglednej ty. Przerywana linia pokaza¬ no zmiane tan 6 jako funkcje f dla suchego przed¬ miotu badanego (i|=0). Ciagle linie oznaczaja zmia¬ ne tan h jako funkcje f dla przedmiotu badanego, którego wilgotnosc wzgledna wynosi odpowiednio 5, 9, 1, 23 i 26P/o, tak ze dla welny wynika, ze po¬ winna byc wybrana bardzo wysoka czestotliwosc pomiarowa f=15 GHz, aby uzyskac najwieksza mozliwa czulosc pomiaru. Czulosc w niskim za¬ kresie czestotliwosci jest ciagle wieksza, jak wyni¬ ka z fig. 6. Jednakze, pomiar przy niskich czesto¬ tliwosciach ma te wade, ze pomiar jest wówczas obciazony oddzialywaniem przewodnosci jonowej, zas powyzej w przyblizeniu 10 GHz oddzialywanie to zasadniczo nie odgrywa roli.Gdy dla pomiaru wilgotnosci welny jest wybra¬ na czestotliwosc pomiarowa 15 GHz, to na fig. 7 jest pokazana linia tan &, uzyskana wedlug fig. 6, jako funkcja wilgotnosci wzglednej.Dla rozmaitych materialów organicznych, takich jak skóry, tyton i welna, zmierzono, ze zmiana e'(ty q) i stad równiez £'(tp, q) — li z" (i|,c) jest zasadniczo zalezna liniowo od gestosci. Wymaga¬ lo 15 20 25 30 35 40 45 50 55 6011 nie nalozone na wz<ór (1) jest zasadniczo spelnione.Na fig. 8a jest pokazana zmiana e"(\|, o) jako funk¬ cja gestosci p, na fig. 8b jest pokazana zmiana s'0|, q) jako funkcja q, zas na fig. 8c pokazana jest wartosc A wyliczona wzdluz wzoru (1). Zmierzony zakres ge&tosci suchej welny wynosi od 0,025 g/cm8 do 0,2 gi/fcm8.Na fig. 9 pokazano schemat blokowy urzadzenia do pomiaru wilgotnosci, zawierajacy ksztaltownik fali 12, uklad do umieszczenia próbki 13 w posta¬ ci podwójnotubowego radiatora, siec mikrofalowa 14 zawierajaca miedzy innymi oscylatory, miesza- , cze i detektory, oraz jednostke przetwarzajaca sy¬ gnal 15, która przykladowo wedlug wzoru (13) o- kresla wartosc A niezaleznie od gestosci, za pomo¬ ca której to wartosci, poprzez krzywa kalibracyj- na A(i|) zapamietana na przyklad w bloku pamieci, jest okreslona wilgotnosc wzgledna, która zostaje pokazana na wskazniku 16. W tej jednostce pomia¬ rowej mozna tez zastosowac inny uklad do umie¬ szczenia próbki, na przyklad aplikator pokazany na fig. la lub fig. Ic bez jakichkolwiek zaklócen.Na figurze 10 jest pokazane praktyczne rozwia- « zanie mikrofalowego urzadzenia pomiarowego. Roz¬ róznia sie trzy hierarchie czestotliwosciowe, mia¬ nowicie czesc mikrofalowa (w przyblizeniu 96 Hz), oznaczona linia przerywana, czesc czestotliwosci srednich (w przyblizeniu 10 GHz) oznaczona linia ciagla i czesc czestotliwosci niskich (w przyblize¬ niu 10 kHz), oznaczona linia kropkowana.Czesc mikrofalowa zawiera generatory mikrofa¬ lowe 17 i 18, na przyklad oscylatory Gunna, które to oscylatory sa utrzymywane przy okolo 96 Hz ze stala odlegloscia czestotliwosciowa 10 MHz za po¬ moca blokujacej *faze galezi stabilizowanej kwar¬ cem. Sygnal pierwszego generatora 17 jest poda¬ wany do ukladu 19 do umieszczenia próbki, w któ¬ rym lub na którym znajduje sie badany przed¬ miot. Sygnal na wyjsciu tego ukladu jest podawa¬ ny do pierwszego mieszacza 20, w którym sygnal ten jest mieszany z sygnalem pochodzacym z dru¬ giego generatora 18 i na czestotliwosc podniesiona o 10 MHz. Dla wytworzenia z jednej strony syg¬ nalu kontrolnego 10 MHz na wyjsciu 22 do ga¬ lezi z zablokowana faza i z drugiej strony do wy¬ tworzenia sygnalu stanowiacego miare tlumienia i przesuniecia fazy sygnalu mikrofalowego w apli- katorze bez badanego przedmiotu jest zastosowany drugi mieszacz 21 wysokiej czestotliwosci.Czesc srednioczestotliwosciowa zawiera galaz z zablokowana f£za 23, która jest podlaczona do pierwszego oscylatora 26' (czestotliwosc 10 MHz) oraz do wyjscia 22 mieszacza 21 poprzez wzmac¬ niacz 24. Wyjscie galezi z zablokowana faza 23 jest podlaczone do sterujacego wejscia 25 sterowanego napieciem generatora 18. Czesc srednioczestotliwo1 sciowa zawiera ponadto drugi oscylator 26" (cze¬ stotliwosc 9,99 MHz), który jest podlaczony do pierwszego wejscia 27 nastepnego mieszacza 28.Sygnal wyjsciowy podawany przez mieszacz 20 jest doprowadzany do drugiego wejscia 29 mieszacza 28.Skutkiem tego na wyjsciu 30 mieszacza 28 wyste¬ puje sygnal 10 kHz. Drugi oscylator 26" jest pod¬ laczony ponadto do pierwszego wejscia 31 nastep¬ nego mieszacza 32. Sygnal wyjsciowy dostarczany D757 12 przez mieszacz 21 jest nastepnie podawany na drugie wejscie 33 mieszacza 32. Na wyjsciu 34 mie¬ szacza 32 wystepuje wówczas równiez sygnal 10 kHz. 5 Czesc niskoczestotliwosciowa zawiera filtry 35 i 36 o pasmie przepustowym 10 kHz, które sa pod¬ laczone do mieszaczy odpowiednio 28 i 32. Sygnaly wyjsciowe dwóch filtrów 28 i 32 sa podawane do elementu 37 okreslajacego róznice amplitudy dla i° wyznaczenia tlumienia przesylania As, wywolane¬ go przez przedmiot badany w aplikatorze. Wyj¬ sciowe sygnaly odpowiednio z dwóch filtrów 28 i 32 sa podawane do elementu 40 okreslajacego po¬ przez odpowiednie przetworniki 38 i 39 przesuniecie 15 fazowe (J€, powstale w ukladzie 19 w wyniku obec¬ nosci badanego przedmiotu. Te dwa elementy 37 i 40 sa podlaczone do jednostki przetwarzajacej 41, na przyklad do mikroprocesora, który z ilorazu $e i A, oblicza wartosc A (wedlug wzoru (13)), a ria- 20 stepnie wyznacza wzgledna; wilgotnosc t|j za po¬ moca informacji dotyczacej przebiegu krzywej ka- libracyjnej, zapisanej w bloku pamieci.Na fig. 11 jest pokazane urzadzenie pomiarowe, zawierajace spiralny rezonator (aplikator), prze- 25 znaczony do pobierania papierosów i sluzacy do wyznaczania wlasnosci dielektrycznych tytoniu, a ponadto zawierajace rurke 42 z kwarcu do pobie¬ rania papierosów 43, metalowa cewke 44 do na¬ stawiania czestotliwosci rezonansowej, wysokocze^ 30 stotliwosciowe sprzezenie 45 oraz ekran 46. Po wprowadzeniu papierosów na podstawie mierzonych wartosci jest okreslone A(t|j) wedlug równania (15).Zastrzezenia patentowe 1. Sposób pomiaru wilgotnosci wzglednej przed¬ miotu przy pomocy mikrofal, w którym zestawia sie przedmiot badany z ukladem do umieszczenia próbki, posiadajacym znane wlasnosci mechaniczne i elektryczne, a nastepnie mierzy sie wplyw, jaki wywiera przedmiot badany na wlasnosci dielek¬ tryczne tego ukladu przy czestotliwosci rezonan- ,. sowej, znamienny tym, ze okresla sie wartosc A 45 dana — wzorem 50 gdzie e'(t|, q) stanowi czesc rzeczywista, zas fc"(t|, g) stanowi czesc urojona stalej dielektrycznej e= =«<(*'— j«"), a q jest gestoscia badanego przed¬ miotu, a nastepnie wyznacza sie wartosc wilgot¬ nosci t|j z krzywej kalibracyjnej A(tp) dla otrzy- 55 manej wartosci A, która to krzywa kalibracyjna jest wlasciwa dla materialu przedmiotu badane¬ go i dla mechanicznych i elektrycznych wlasnosci ukladu do umieszczenia próbki. 2. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze 60 w etapie zestawiania przedmiotu badanego z ukla¬ dem do umieszczania próbki wykonuje sie pomiar zespolonego wspólczynnika przesylania oraz ze¬ spolonego wspólczynnika odbicia. 3. Sposób pomiaru wilgotnosci wzglednej przed- 85 miotu przy pomocy mikrofal, w którym zestawia\ 130 757 13 14 sie przedmiot badany z ukladem do umieszczenia próbki, posiadajacym znane wlasnosci mechanicz¬ ne i elektryczne, a nastepnie mierzy sie wplyw jaki wywiera przedmiot badany na wlasnosci di¬ elektryczne tego ukladu przy czestotliwosci rezo¬ nansowej, znamienny tym, ze okresla sie wartosc A dana wzorem A = tan* gdzie e' (ty, q) stanowi czesc rzeczywista, zas e"(ty, q) stanowi czesc urojona stalej dielektrycznej e= =M«' — je"),tan 8= —^f a p stanowi gestosc V badanego przedmiotu, a nastepnie wyznacza sie wartosc wilgotnosci ty z krzywej kalibracyjnej A(ty) dla otrzymanej wartosci A, która to krzywa kali- bracyjna jest wlasciwa dla materialu przedmiotu badanego i dla mechanicznych i elektrycznych wla¬ snosci ukladu do umieszczenia próbki. 4. Sposób wedlug zastrz. 3, znamienny tym, ze w etapie zestawiania przedmiotu badanego z ukla¬ dem do umieszczenia próbki wykonuje sie pomiar zespolonego wspólczynnika przesylania oraz zespo¬ lonego wspólczynnika odbicia. 5. Urzadzenie do pomiaru wilgotnosci wzglednej przedmiotu przy pomocy mikrofal, zawierajace ge¬ nerator mikrofalowy, uklad do umieszczenia bada¬ nej próbki, detektor sygnalu mikrofalowego, oraz elementy mierzace przesuniecie fazowe i tlumienie przesylania mikrofal z generatora przez uklad do umieszczania próbki do detektora, znamienne tym, ze do wyjscia elementów (40, 37) mierzacych prze¬ suniecie fazowe i tlumienie przesylania jest podla¬ czony element wyznaczajacy wartosc A, która jest dana wzorem A = t-\ Oc2 — 0g AeOe e'-l l-ccR.A -^—— = Z » gdzie e0 stanowi stala dielektryczna powietrza, a R€ stanowi czesc rzeczywista, zas le — czesc uro¬ jona impedancji mikrofalowej Z=Re + jI, bada¬ nego przedmiotu, zas Z = Rg+jig = (1-S")2-^i zas do wyjscia elementu do wyznaczania wartosci A jest podlaczony element do wyznaczania wilgot¬ nosci ty z wartosci wyznaczonej dla A za pomoca krzywej kalibracyjnej A(ty). 15 7. Urzadzenie do pomiaru wilgotnosci wzglednej przedmiotu, przy pomocy mikrofal, posiadajace ge¬ nerator mikrofalowy, uklad do umieszczenia próbki, majacy postac prowadnicy falowej, oraz detektor sygnalu mikrofalowego, znamienne tym, ze zawiera 20 elementy do pomiaru zespolonego wspólczynnika przesylania Sn oraz zespolonego wspólczynnika odbicia Su mikrofali z generatora przez badany przedmiot w prowadnicy falowej do detektora, przy czym do wyjscia tych elementów jest podla- 25 czony element do wyznaczania wartosci A dana wzorem gdzie $0 stanowi przesuniecie fazowe bez przed¬ miotu badanego w ukladzie (19) do umieszczenia próbki, a miotem badanym w ukladzie (19), zas A, stanowi tlumienie przesylania z przedmiotem*badanym w ukladzie (19), a do wyjscia tego elementu jest pod¬ laczona jednostka przetwarzajaca (41) do wyzna¬ czania zawartosci wilgotnosci ty z wartosci okreslo¬ nej dla A za pomoca krzywej kalibracyjnej A (ty). 6. Urzadzenie do pomiaru wilgotnosci wzglednej przedmiotu przy pomocy mikrofal, posiadajace ge¬ nerator mikrofalowy, uklad do umieszczenia bada¬ nej próbki, zwlaszcza wspólosiowy aplikator, oraz detektor sygnalu mikrofalowego, znamienne tym, ze zawiera elementy do pomiaru zespolonego wspólczynnika przesylania Sn oraz zespolonego wspólczynnika odbicia Sn mikrofali z generatora przez badany przedmiot w aplikatorze do detekto¬ ra, przy czym do wyjscia tych elementów jest pod¬ laczony element do wyznaczania wartosci A dana wzorem 40 45 - -£)'-'¦ A = 30 Z" L°l< gdzie £