RU2132051C1

RU2132051C1 - Device measuring water content

Info

Publication number: RU2132051C1
Application number: RU98116427/09A
Authority: RU
Inventors: Л.И. Елшина; В.П. Козлов
Original assignee: Елшина Людмила Ивановна
Priority date: 1998-08-28
Filing date: 1998-08-28
Publication date: 1999-06-20

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: device measuring water content has SHF generator, valve-flange and tuned element connected to transceiver antenna and detector section with instrument amplifier. Tuned element includes waveguide circulator, waveguide transformer and additional valve-flange. Waveguide circulator is connected via additional valve-flange to detector section and via waveguide transformer to transceiver antenna. Frequency of generator can be retuned. Transceiver antenna has aperture filled with dielectric material. Signal in detector section is set to zero before measurement of water content of object by retuning of frequency of generator and by tuning of waveguide transformer. Them moisture content of material is measured by direct contact of antenna with object. EFFECT: increased measurement accuracy in case of one-sided access to object of test, simplified process of measurement thanks to exclusion of additional tuning to standard sample. 1 dwg

Description

Предлагаемое устройство относится к СВЧ измерительной технике и может быть использовано для экспресс-контроля влажности материала и строительных изделий. The proposed device relates to microwave measuring equipment and can be used for express control of the humidity of the material and building products.

Известно устройство для измерения влажности (см. книгу Бензарь В.К.. Техника СВЧ-влагометрии. Минск. : 1974, с.223), которое содержит генератор СВЧ-излучения, аттенюатор, двойной волноводный тройник, эталонное плечо, детекторную секцию, приемопередающую антенну и усилитель низкой частоты с индикатором. A device for measuring humidity is known (see the book Benzar V.K. Technique of microwave moisture measurement. Minsk.: 1974, p.223), which contains a microwave radiation generator, attenuator, double waveguide tee, reference arm, detector section, transceiver antenna and low-frequency amplifier with indicator.

Известно, что диэлектрические характеристики (ε′ и ε″) воды и влажности материалов, содержащих свободную воду, изменяются с изменением температуры ввиду особенностей атомно-молекулярного строения H₂O и, в первую очередь, наличия дипольной релаксации в диапазоне сверхвысоких частот, то есть ε^* = f(W%, T^oC).It is known that the dielectric characteristics (ε ′ and ε ″) of water and the humidity of materials containing free water change with temperature due to the peculiarities of the atomic-molecular structure of H ₂ O and, primarily, the presence of dipole relaxation in the microwave range, i.e. ε ^* = f (W%, T ^o C).

Работа известного устройства основана на изменении сигнала разбаланса СВЧ-моста в зависимости от влажности материала. The operation of the known device is based on a change in the unbalance signal of the microwave bridge depending on the moisture content of the material.

СВЧ-энергия от СВЧ-генератора через вентиль подается на одно из плеч двойного волноводного тройника, где делится пополам и поступает в приемоперадающую антенну и в опорное плечо, включающее аттенюатор и короткозамыкающий поршень. Отраженная СВЧ-энергия от приемопередающей антенны и образца поступает в третье плечо тройника и далее на детекторную секцию, электрически связанную с измерительным усилителем. Microwave energy from a microwave generator is supplied through a valve to one of the arms of a double waveguide tee, where it is divided in half and fed into a transceiver antenna and into a support arm, which includes an attenuator and a short-circuit piston. The reflected microwave energy from the transceiver antenna and the sample enters the third arm of the tee and then to the detector section, electrically connected to the measuring amplifier.

Перед измерением влажности испытываемого материала система должна быть настроена с помощью опорного плеча (аттенюатора и короткозамыкающего поршня) на эталонный образец, который может менять свойства в зависимости от множества параметров окружающей его среды. Before measuring the moisture content of the test material, the system must be set up using a reference arm (attenuator and short-circuit piston) to a reference sample, which can change properties depending on many parameters of its environment.

Недостатком известного устройства является большой разброс показаний прибора из-за зависимости показаний индикатора от температуры контролируемого объекта, зависимости показаний индикатора от колебаний подающей мощности СВЧ-излучения и от изменения характеристики диода детекторной секции, зависимости показаний индикатора от изменения коэффициента отражения от границы контролируемого изделия вследствие изменения фазы коэффициента отражения от контролируемого образца. A disadvantage of the known device is the wide variation in the readings of the device due to the dependence of the indicator on the temperature of the monitored object, the dependence of the indicator on fluctuations in the supply power of the microwave radiation and the change in the characteristics of the diode of the detector section, the dependence of the indicator on the change in reflection coefficient on the boundary of the controlled product due to changes phase reflection coefficient from the controlled sample.

Техническая задача заключается в повышении точности измерения влажности изделий и конструкций из них при одностороннем доступе к объекту контроля и упрощении способа изменения за счет исключения дополнительной настройки на эталонный образец. The technical problem is to increase the accuracy of measuring the moisture content of products and structures made of them with one-sided access to the control object and simplify the method of change by eliminating additional settings on the reference sample.

Поставленная задача решается таким образом, что в устройстве для измерения влажности, содержащем последовательно соединенные СВЧ-генератор, вентиль-фланец и настраиваемый элемент, соединенный с приемопередающей антенной и детекторной секцией с измерительным усилителем, согласно изобретению настраиваемый элемент содержит волноводный циркулятор, волноводный трансформатор и дополнительный вентиль-фланец, при этом волноводный циркулятор соединен через дополнительный вентиль-фланец с детекторной секцией, а через волноводный трансформатор с приемопередающей антенной, причем СВЧ-генератор выполнен с перестраиваемой частотой, а приемопередающая антенна - с раскрывом, заполненным диэлектриком. The problem is solved in such a way that in a device for measuring humidity containing a serially connected microwave generator, a valve flange and a tunable element connected to a transceiver antenna and a detector section with a measuring amplifier, according to the invention, the tunable element contains a waveguide circulator, a waveguide transformer and an additional valve-flange, while the waveguide circulator is connected through an additional valve-flange to the detector section, and through the waveguide transformer ator transceiver with an antenna, wherein the microwave generator is tunable, and transceiver antenna - with aperture filled with a dielectric.

Предлагаемое устройство отличается тем, что настраиваемый элемент содержит волноводный циркулятор, волноводный трансформатор и два развязывающих вентиля-фланца, а СВЧ-генератор имеет перестраиваемую частоту, при этом антенна выполнена с раскрывом, заполненным диэлектриком. The proposed device is characterized in that the tunable element contains a waveguide circulator, a waveguide transformer and two decoupling flange valves, and the microwave generator has a tunable frequency, while the antenna is made with a hole filled with a dielectric.

Такая схема позволяет исключить изменение влажности эталонного образца, так как перед непосредственным измерением влажности материала частоту СВЧ-генератора изменяют до нулевого показания измерительного усилителя. Это дает возможность исключить погрешность, связанную с изменчивостью свойств материала под воздействием окружающей среды при настройке на эталонный образец. Such a scheme makes it possible to exclude a change in the humidity of the reference sample, since before directly measuring the moisture of the material, the frequency of the microwave generator is changed to a zero reading of the measuring amplifier. This makes it possible to eliminate the error associated with the variability of the properties of the material under the influence of the environment when setting up a reference sample.

Устройство для измерения влажности (см. чертеж) состоит из соединенного с источником питания 1 перестраиваемого по частоте СВЧ-генератора 2. СВЧ-генератор 2 через развязывающий вентиль-фланец 3 соединен с одним из плеч волноводного циркулятора 4. Второе плечо волноводного циркулятора 4 соединено с трехштыревым волноводным трансформатором 5, который соединен с приемоизлучающей антенной 6, раскрыв 7 которой заполнен диэлектриком 8. Третье плечо волноводного циркулятора 4 через развязывающий вентиль-фланец 9 соединено с детекторной секцией 10, которая электрически связана с измерительным усилителем 11. A device for measuring humidity (see drawing) consists of a frequency-tunable microwave generator 2 connected to a power source 1. A microwave generator 2 is connected through one decoupling valve-flange 3 to one of the arms of the waveguide circulator 4. The second arm of the waveguide circulator 4 is connected to a three-pin waveguide transformer 5, which is connected to a receiving-radiating antenna 6, opening 7 of which is filled with a dielectric 8. The third arm of the waveguide circulator 4 is connected through a decoupling valve-flange 9 to the detection section 10, to which is electrically connected to the measuring amplifier 11.

Устройство работает следующим образом. СВЧ-энергия от СВЧ-генератора 2 через вентиль-фланец 3 поступает в одно плечо волноводного циркулятора 4, далее через волноводный трансформатор 5 - в приемопередающую антенну 6. Отражаясь от раскрыва приемнопередающей антенны 6, СВЧ-энергия поступает в третье плечо волноводного циркулятора 4 и через развязывающий вентиль-фланец 9 на детекторную секцию 10 и измерительный усилитель 11. Перед измерением влажности контрольного объекта 12 с помощью перестройки частоты СВЧ-генератора 2 и настройки волноводного трансформатора 5 волноводная схема настраивается таким образом, что отраженная от приемопередающей антенны СВЧ-энергия при отсутствии объекта контроля компенсируется по амплитуде и фазе энергией, отраженной от волноводного трансформатора, и, вследствие этого, не поступает в третье плечо циркулятора. Таким образом, сигнал на детекторной секции, соединенной через вентиль-фланец с циркулятором, при отсутствии объекта контроля равняется нулю. The device operates as follows. Microwave energy from the microwave generator 2 through the valve flange 3 enters one arm of the waveguide circulator 4, then through the waveguide transformer 5 to the transceiver antenna 6. Reflecting from the opening of the transceiver antenna 6, the microwave energy enters the third arm of the waveguide circulator 4 and through the decoupling valve-flange 9 to the detection section 10 and the measuring amplifier 11. Before measuring the humidity of the control object 12 by tuning the frequency of the microwave generator 2 and tuning the waveguide transformer 5, the waveguide circuit us raivaetsya so that reflected from the transceiving antenna of the microwave energy in the absence of a control object is compensated in amplitude and phase with energy reflected from the waveguide transformer, and, therefore, not supplied to the third port of the circulator. Thus, the signal at the detector section connected through the valve-flange to the circulator, in the absence of the object of control is equal to zero.

Величина отраженного сигнала зависит от степени влажности объекта и носит практически нелинейный характер. Градуировочная зависимость предлагаемого устройства в данном случае будет зависеть только от изменения коэффициента отражения от объекта контроля и практически не зависит от других факторов. The magnitude of the reflected signal depends on the degree of humidity of the object and is practically non-linear. The calibration dependence of the proposed device in this case will depend only on a change in the reflection coefficient from the control object and practically does not depend on other factors.

Claims

A moisture measuring device comprising a microwave generator, a valve flange and a tunable element connected in series with a transceiver antenna and a detector section with a measuring amplifier, characterized in that the tunable element contains a waveguide circulator, a waveguide transformer and an additional valve flange, wherein the waveguide circulator is connected through an additional valve-flange to the detector section, and through a waveguide transformer with a transceiver antenna, and the generator p is configured tunable transceiver and antenna - with aperture filled with a dielectric.