RU2060490C1 - Устройство для измерения влажности диэлектриков - Google Patents

Устройство для измерения влажности диэлектриков Download PDF

Info

Publication number
RU2060490C1
RU2060490C1 RU93049273A RU93049273A RU2060490C1 RU 2060490 C1 RU2060490 C1 RU 2060490C1 RU 93049273 A RU93049273 A RU 93049273A RU 93049273 A RU93049273 A RU 93049273A RU 2060490 C1 RU2060490 C1 RU 2060490C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
measuring
resonator
controlled material
value
resonators
Prior art date
Application number
RU93049273A
Other languages
English (en)
Other versions
RU93049273A (ru
Inventor
Юрий Николаевич Носков
Original Assignee
Юрий Николаевич Носков
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Юрий Николаевич Носков filed Critical Юрий Николаевич Носков
Priority to RU93049273A priority Critical patent/RU2060490C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2060490C1 publication Critical patent/RU2060490C1/ru
Publication of RU93049273A publication Critical patent/RU93049273A/ru

Links

Images

Landscapes

  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)

Abstract

Использование: в технике СВЧ-влагометрии. Сущность изобретения: устройство для измерения влажности содержит опорный и измерительный резонаторы 1, 2, соединенные с СВЧ-генератором и детектором через отрезок прямоугольного волновода 3, в котором выполнены идентичные отверстия связи 5 - 8. Измерительный и опорный резонаторы 1, 2 закреплены соосно на противоположных стенках отрезка прямоугольного волновода 3. Измерительный резонатор 2 выполнен цилиндрическим и разделен щелью 17 на две части, щель образована зазором между торцевой стенкой 14 и корпусом измерительного резонатора 2, величина которого не превышает 1/8λ, с торцевой кромки 12 установлен диск 13. 5 ил.

Description

Изобретение относится к технике СВЧ-влагометрии и может быть использовано для измерения влажности различных материалов (бумага, ткани, нитки, сахарный песок и т.п.) как в лабораторных, так и в производственных условиях при технологическом контроле влажности диэлектрических материалов.
Известно большое количество СВЧ-влагомеров, в которых используются как частотно-независимые, так и резонансные устройства. Совершенствование устройств направлено на повышение точности измерения влажности за счет уменьшения влияния таких неинформативных параметров, как плотность и толщина контролируемых материалов. Функция A(W) (εx'-1)/εx'', где εx' и εx'' относительная диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери контролируемого материала, определяется из теории малых возмущений и равна A(W) 2δf/Δd, где δf и Δd относительная расстройка и изменение затухания резонатора, обусловленные введением контролируемого материала, что позволяет исключить влияние плотности и толщины материала на результат измерения влажности. Функция A(W) не зависит от плотности контролируемого материала и в том случае, когда материал вносит в устройство сильное возмущение или иногда неприменимы формулы, полученные из теории малых возмущений.
Известно устройство для измерения влажности диэлектрических материалов, которое представляет цилиндрический измерительный резонатор, разделенный щелью на две части. Когда щель разделяет резонатор на две равные симметричные части, в нем возбуждаются два вырожденных колебания типа E111 и H011. При введении в полость резонатора контролируемого материала вырождение снимается. Контролируемый материал находится в максимуме электрического поля колебания типа Н011 и сильно изменяет резонансную частоту этого колебания, при этом резонансная частота колебания E111 изменяется незначительно. По результатам измерения разности между резонансными частотами колебаний Н011 и Е111 полого резонатора и резонатора, содержащего контролируемый материал, определяется величина влажности материала. Ширина щели влияет на изменение значений резонансных частот колебаний Н011 и Е111. Ввиду сильной связи контролируемого материала с резонатором указанные измерения могут быть осуществлены только для тонких листовых материалов, таких как бумага. Более толстые материалы очень сильно ухудшают добротность колебания H011 и регистрация его становится невозможной.
Основными недостатками этого устройства являются отсутствие сведений о выборе оптимального положения контролируемого материала в щели и элементов, обеспечивающих фиксацию этого положения, а также выполнение опорного и измерительного резонаторов в виде отдельных устройств. Произвольное положение контролируемого материала в щели, кроме возможного излучения, ухудшающего добротность колебаний Н011, не позволяет однозначно определить функцию A(W) и, следовательно, провести достоверное измерение влажности контролируемого материала. Конструктивное разделение измерительного и опорного резонаторов, нагруженных на отдельные детекторы, вызывает дополнительную погрешность при измерении величины затухания измерительного резонатора за счет различных температурных зависимостей выходных напряжений, снимаемых с детекторов. Кроме этого, дополнительный источник тепла, которым является СВЧ-генератор, по-разному влияет на резонансные частоты измерительного и опорного резонаторов, вызывая дополнительную погрешность при измерении отклонения резонансной частоты измерительного резонатора, обусловленного контролируемым материалом.
Целью изобретения является повышение точности измерения влажности диэлектрических материалов.
На фиг. 1 изображено устройство для измерения влажности диэлектрических материалов; на фиг. 2 эскиз модели измерительного резонатора; на фиг. 3 приведены зависимости В от значения относительной расстройки резонатора при расположении материала на торцевой поверхности резонатора; на фиг. 4 зависимости В от значения относительной расстройки резонатора при расположении материала на диэлектрическом диске; на фиг. 5 зависимость и экспериментальные значения A(W) от величины влажности хлопковых ниток при различных значениях заполнения нитками поперечного сечения резонатора.
Устройство для измерения влажности диэлектрических материалов содержит опорный резонатор 1, измерительный резонатор 2, отрезок прямоугольного волновода 3, разделенного металлической перемычкой 4, отверстия связи 5-8, фторопластовые диски 9, 10, цилиндрическая полость 11 измерительного резонатора 2, торцевая кромка 12 корпуса измерительного резонатора 2, диэлектрический диск 13, торцевая стенка 14 измерительного резонатора 2, поверхность 15 торцевой стенки 14, контролируемый материал 16, щель 17, образованная зазором между торцевой стенкой 14 и корпусом измерительного резонатора 2.
Устройство для измерения влажности диэлектрических материалов работает следующим образом.
Опорный и измерительный резонаторы 1, 2 закреплены соосно на противоположных стенках отрезка прямоугольного волновода 3 и соединены через него с СВЧ-генератором и детектором (на фиг. 1 не показаны). Связь опорного и измерительного резонаторов 1, 2 отрезком прямоугольного волновода осуществляется с помощью идентичных отверстий связи 5-8. Фторопластовые диски 9, 10 снимают выраженные колебания Н011 и Е111, существенно уменьшая резонансную частоту колебания Е111.
Диэлектрический диск 13 выполнен из диэлектрического материала с малыми потерями, например фторопласта, плавленого кварца, полипора и т.п.
Величина зазора L фиксируется и поддерживается постоянной. Максимальная величина L не должна превышать одной восьмой резонансной длины волны в свободном пространстве, так как при больших значениях наблюдается излучение из щели 17 при возможном отклонении положения контролируемого материала от горизонтального. Указанный эффект возрастает с увеличением диэлектрической проницаемости контролируемого материала. Детектирование одним детектором сигналов опорного и измерительного резонаторов устраняет погрешность за счет различных температурных зависимостей выходных напряжений, снимаемых с детекторов, имеющихся в прототипе. Симметричное расположение опорного и измерительного резонаторов относительно теплового источника СВЧ-генератора приводит к одинаковому изменению их линейных размеров, а следовательно, и их резонансных частот. При этом значительно уменьшается погрешность измерения отклонения, обусловленного контролируемым материалом, резонансной частоты измерительного резонатора. Контролируемый материал 16, имеющий толщину tx, может занимать в щели 17 произвольное положение. Для определения влияния положения контролируемого материала в щели на точность определения величины A(W) рассмотрим два крайних положения, из которых одно, обозначенное пунктиром, соответствует расположению контролируемого материала 16 на торцевой поверхности 15, а другое, обозначенное сплошной линией, соответствует расположению контролируемого материала 16 на диэлектрическом диске 13. При размещении значительного количества контролируемого материала в зоне неоднородного электрического поля резонатора, как это имеет место в случаях, показанных на фиг. 1, теория малых возмущений несправедлива, а функция A(W) должна быть записано в виде
A(W) B(δf;
Figure 00000002
;tx)
Figure 00000003
(1) где В (δf; εx'; tx) функция, зависящая от указанных параметров;
δf относительная расстройка резонатора;
Δd изменение затухания резонатора. Функция A(W) ( ε'x-1)/εx'' не зависит от плотности контролируемого материала и при сильных возмущениях, вносимых контролируемым материалом в резонатор. Однако влияние толщины контролируемого материала на значение функции A(W) при этом остается неопределенным и должно определяться для каждого конкретного устройства.
Для полуоткрытых цилиндрических резонаторов, в которых возбуждается колебание Н01, характеристики последних достаточно точно могут быть описаны соответствующими формулами для замкнутых резонаторов. Поэтому расчет характеристик измерительного резонатора, содержащего контролируемый материал, с целью последующего определения функциональной зависимости В от входящих в нее параметров проводился в соответствии с его моделью, приведенной на фиг. 2. При последовательном резонансе равенство нулю вещественной части полного комплексного сопротивления в сечении aa с учетом влияния отверстий связи позволяет определить резонансную частоту измерительного резонатора, а мнимой части (при εx''/εx'≅0,2) значение коэффициента N, связывающего величину вносимого материалом в резонатор затухания Δd с величиной диэлектрических потерь εx'' контролируемого материала
Δd N εx''. (2) Значение функции В определяется по формуле (1)
B
Figure 00000004
(3) где fo и fx значения резонансных частот резонатора без материала и с материалом.
На фиг. 3 и 4 приведены результаты расчета зависимостей функции В от величины относительной расстройки резонатора δf (fo fx)/fx при различных значениях относительной диэлектрической проницаемости ε'x контролируемого материала и его толщины tx для двух крайних положений материала в щели. При расчете принималось, что диэлектрический диск 13 (см. фиг. 1) выполнен из плавленого кварца и имеет толщину d2 1,0 мм, в расстояние L 3,0 мм. Крестиками отмечены экспериментальные значения В, рассчитанные по результатам измерения изменений параметров измерительного резонатора при помещении в него тонких дисков, выполненных из материала, имеющего εx' 2,6; εx'' 1,5•10-2. Анализ приведенных графиков показывает сильную зависимость функции В от толщины контролируемого материала tx при его расположении на торцевой поверхности резонатора (см. фиг. 3) и слабую зависимость функции В при расположении контролируемого материала на диэлектрическом диске (см. фиг. 4). Так, при изменении толщины контролируемого материала с 2,0 до 2,5 мм относительная погрешность определения величины В будет для случая, представленного зависимостями на фиг. 3, δВ 100•(В2 В1)/В1 9,0% а для случая, представленного зависимостями на фиг. 4, δВ 100•(В3 В4)/В3 0,4% При произвольном положении контролируемого материала в щели относительная погрешность определения величины В для указанного изменения толщины материала находится в пределах от 0,4 до 9,0% Следовательно, введение диэлектрического диска 13 и расположение на нем контролируемого материала позволяют по измеренному значению δf однозначно определить значение величины В и в соответствии с выражением (1) вычислить величину A(W). При этом влияние толщины контролируемого материала на точность определения величины В будет минимальным. Изменение толщины диэлектрического диска, значения его относительной диэлектрической проницаемости или величины L не изменяют характера приведенных на фиг. 4 зависимостей В F(δf), а изменяют лишь угол наклона α, величина которого уменьшается при увеличении толщины диска, его относительной диэлектрической проницаемости или величины L.
На фиг. 5 приведена зависимость величины A(W) от значения влажности W хлопковых ниток. Там же показаны значения A(W) при различных величинах заполнения нитками поперечного сечения цилиндрической полости резонатора. Точками отмечены значения, соответствующие коэффициенту заполнения, равному 0,2, крестиками 0,4 и кружками 0,6. Как видно из фиг. 5, величина A(W), а следовательно, и значение влажности хлопковых ниток не зависит от величины коэффициента заполнения нитками поперечного сечения резонатора.
Ниже приведены измеренные с помощью предлагаемого устройства значения A(W), соответствующие равновесной влажности различных материалов при температуре 21оС и относительной влажности 50% Материал Значение A(W) Бумага газетная 5,8 Ткань х/б 6,1 Хлопковые нитки 8,0 Шерстяная ткань 13,0 Шерстяная ткань с синтетическими волокнами 20,0 Стеклоткань 59,0 Сахарный песок (белый) 265,0

Claims (1)

  1. Устройство для измерения влажности диэлектриков, содержащее СВЧ-генератор, соединенный с опорным и измерительным резонаторами, при этом измерительный резонатор выполнен цилиндрическим и разделен щелью на две части, и детектор, отличающееся тем, что опорный и измерительный резонаторы соединены с СВЧ-генератором и детектором через отрезок прямоугольного волновода, в котором выполнены идентичные отверстия связи, причем измерительный и опорный резонаторы закреплены соосно на противоположных стенках отрезка прямоугольного волновода, щель образована зазором между торцевой стенкой и корпусом измерительного резонатора, величина которого не превышает 1/8 длины волны в свободном пространстве, а в измерительном резонаторе заподлицо с торцевой кромкой установлен диэлектрический диск.
RU93049273A 1993-10-21 1993-10-21 Устройство для измерения влажности диэлектриков RU2060490C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU93049273A RU2060490C1 (ru) 1993-10-21 1993-10-21 Устройство для измерения влажности диэлектриков

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU93049273A RU2060490C1 (ru) 1993-10-21 1993-10-21 Устройство для измерения влажности диэлектриков

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2060490C1 true RU2060490C1 (ru) 1996-05-20
RU93049273A RU93049273A (ru) 1997-03-27

Family

ID=20148597

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU93049273A RU2060490C1 (ru) 1993-10-21 1993-10-21 Устройство для измерения влажности диэлектриков

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2060490C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1331476B1 (de) * 2002-01-29 2006-04-26 AMS- Advanced Microwave Systems GmbH Mikrowellenanordnung zur Produktfeuchtemessung, mit Temperaturkompensation

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Викторов В.Л. и др. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоиздат, 1989, с.28,38. Патент США N 3458808, кл. G 01R 27/04, 1969. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1331476B1 (de) * 2002-01-29 2006-04-26 AMS- Advanced Microwave Systems GmbH Mikrowellenanordnung zur Produktfeuchtemessung, mit Temperaturkompensation

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4361801A (en) Microwave method for measuring the relative moisture content of an object
Dakin et al. Microwave dielectric measurements
US4904928A (en) Measurement apparatus and method utilizing multiple resonant modes of microwave energy
US3458808A (en) Apparatus for measuring the properties of a material by resonance techniques
JP2001066264A (ja) 湿度及び密度センサー用マイクロ波共振器
US6466035B1 (en) Microwave fluid sensor and a method for using same
US20060208194A1 (en) Microwave mass measuring device and process
JP3691812B2 (ja) 共振器を用いて複素誘電率を測定する方法および前記方法を実施する装置
CA1124100A (en) Optical measuring apparatus employing a laser
RU2060490C1 (ru) Устройство для измерения влажности диэлектриков
US3460031A (en) Microwave waveguide moisture measurement
US4891573A (en) Evanescent mode tester for ceramic dielectric substrates
WO2000028615A1 (en) Dielectric waveguide microwave sensor
US6897659B2 (en) Device for testing the quality of rope-like materials
RU2011972C1 (ru) Устройство для измерения влажности листовых диэлектрических материалов
RU2084877C1 (ru) Способ измерения влажности на свч (варианты)
Lindberg et al. Microwave moisture meters for the paper and pulp industry
RU2637174C1 (ru) Способ определения диэлектрической проницаемости диэлектрических материалов
Penrose Some measurements of the permittivity and power factor of low loss solids at 25,000 Mc./sec. frequency
RU2034276C1 (ru) Устройство для контроля параметров диэлектрических материалов
US4699005A (en) Apparatus for measuring angular velocity
US3437922A (en) Microwave dimensional measuring apparatus and method
RU2096768C1 (ru) Способ измерения влажности на свч и чувствительный элемент в виде открытого волноводного резонатора для осуществления способа
SU1402966A1 (ru) Способ определени сопротивлени св зи периодических структур
SU868662A1 (ru) Способ измерени магнитной проницаемости жидких ферромагнитных материалов