RU2787302C1 - Method for determining the imaginary part of the complex permittivity of liquid dielectrics with weak absorption in the range of 22-40 ghz - Google Patents

Method for determining the imaginary part of the complex permittivity of liquid dielectrics with weak absorption in the range of 22-40 ghz Download PDF

Info

Publication number
RU2787302C1
RU2787302C1 RU2022109575A RU2022109575A RU2787302C1 RU 2787302 C1 RU2787302 C1 RU 2787302C1 RU 2022109575 A RU2022109575 A RU 2022109575A RU 2022109575 A RU2022109575 A RU 2022109575A RU 2787302 C1 RU2787302 C1 RU 2787302C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
complex permittivity
determined
calculated
metal plate
imaginary part
Prior art date
Application number
RU2022109575A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Евгений Борисович Атутов
Евгений Юрьевич Коровин
Баир Заятуевич Гармаев
Борис Вениаминович Басанов
Александр Владимирович Базаров
Юрий Буддич Башкуев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук
Application granted granted Critical
Publication of RU2787302C1 publication Critical patent/RU2787302C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: instrumentation.
SUBSTANCE: invention relates to instrumentation and can be used for non-contact measurement of the dielectric constant of liquids. The investigated medium is irradiated along the normal with a plane electromagnetic wave, in which a flat metal plate is lowered. The dependence of the intensity of the reflected field on the width of the layer of the investigated liquid is determined. In this case, the real part of the complex permittivity is first determined. Then the imaginary part is calculated by the selection method until the maximum coincidence of the calculated and measured positions of the deepest minimum of the interference dependence of the reflection coefficient on the depth of immersion of the metal plate into the substance under study.
EFFECT: overall acceleration of the process of determining the complex permittivity of weakly absorbing liquid dielectrics.
1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для создания устройств бесконтактного измерения комплексной диэлектрической проницаемости жидкостей. Отсутствие прямого контакта приемо-передающих устройств с исследуемыми средами позволяет использовать метод для измерений температурных зависимостей комплексной диэлектрической проницаемости жидкостей, в том числе химически активных веществ.The invention relates to instrumentation and can be used to create devices for non-contact measurement of the complex permittivity of liquids. The absence of direct contact of transceivers with the media under study makes it possible to use the method for measuring the temperature dependences of the complex permittivity of liquids, including chemically active substances.

Суть изобретения заключается в том, что сначала определяется вещественная часть комплексной диэлектрической проницаемости согласно [Патент РФ № 2766059], затем вычисляется мнимая часть методом подбора до максимального совпадения расчетного и измеренного положения самого глубокого минимума интерференционной зависимости коэффициента отражения от глубины погружения металлической пластины в исследуемое вещество.The essence of the invention lies in the fact that the real part of the complex permittivity is first determined according to [RF Patent No. 2766059], then the imaginary part is calculated by the selection method to the maximum coincidence of the calculated and measured positions of the deepest minimum of the interference dependence of the reflection coefficient on the depth of immersion of the metal plate into the substance under study .

Известны способы бесконтактного определения диэлектрической проницаемости жидкостей, заключающиеся в том, что образцы облучают электромагнитным полем и измеряют параметры искаженного сигнала [патент РФ №2194270, №2563581, №2234075, №2728250].Known methods for non-contact determination of the dielectric constant of liquids, consisting in the fact that the samples are irradiated with an electromagnetic field and measure the parameters of the distorted signal [RF patent No. 2194270, No. 2563581, No. 2234075, No. 2728250].

Прототипом данной заявки является способ бесконтактного определения комплексной диэлектрической проницаемости жидкостей, в котором искомое значение определялось подбором до максимального совпадения положений максимумов и минимумов измеренной интерференционной зависимости коэффициента обратного отражения от ширины слоя исследуемой жидкости [патент РФ №2688825].The prototype of this application is a method for non-contact determination of the complex dielectric constant of liquids, in which the desired value was determined by selecting the maximum coincidence of the positions of the maxima and minima of the measured interference dependence of the back reflection coefficient on the width of the layer of the liquid under study [RF patent No. 2688825].

Существенным недостатком этого способа является большая трудоемкость определения искомых параметров.A significant disadvantage of this method is the high complexity of determining the desired parameters.

Предлагаемый способ значительно ускоряет процесс определения в целом комплексной диэлектрической проницаемости слабо поглощающих жидких диэлектриков.The proposed method significantly speeds up the process of determining the overall complex permittivity of weakly absorbing liquid dielectrics.

Технический результат достигается тем, что исследуемую жидкость облучают по нормали плоской электромагнитной волной, в которую опускается металлическая пластина, определяется зависимость интенсивности отраженного поля от толщины слоя исследуемой жидкости, отличающийся тем, что сначала определяется вещественная часть комплексной диэлектрической проницаемости [Патент РФ № 2766059], а за тем подбором мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости исследуемой среды до максимального совпадения положения самого глубокого минимума измеренной интерференционной зависимости с рассчитанной по формуле:

Figure 00000001
,
Figure 00000002
,
Figure 00000003
Figure 00000004
,
Figure 00000005
,
Figure 00000006
Figure 00000007
,
Figure 00000008
 - длина волны в вакууме,
Figure 00000009
 - вычисленная вещественная часть комплексной диэлектрической проницаемости исследуемой жидкости,
Figure 00000010
 - искомая мнимая часть,
Figure 00000011
 - комплексная диэлектрическая проницаемость металлической пластины определяемой по формуле Друде,
Figure 00000012
 - толщина зондируемого слоя,
Figure 00000013
- мнимая единица [Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. М.: Наука. 1973. - 344 с.].The technical result is achieved by the fact that the test liquid is irradiated along the normal with a plane electromagnetic wave, into which a metal plate is lowered, the dependence of the intensity of the reflected field on the thickness of the layer of the test liquid is determined, characterized in that the real part of the complex permittivity is first determined [RF Patent No. 2766059], and then the selection of the imaginary part of the complex permittivity of the medium under study until the maximum coincidence of the position of the deepest minimum of the measured interference dependence with that calculated by the formula:
Figure 00000001
 ,
Figure 00000002
 ,
Figure 00000003
Figure 00000004
 ,
Figure 00000005
 ,
Figure 00000006
Figure 00000007
 ,
Figure 00000008
 is the wavelength in vacuum,
Figure 00000009
 - calculated real part of the complex permittivity of the investigated liquid,
Figure 00000010
 - desired imaginary part,
Figure 00000011
 - complex permittivity of a metal plate determined by the Drude formula,
Figure 00000012
 - thickness of the probed layer,
Figure 00000013
 - imaginary unit [Brekhovskikh L.M. Waves in layered media. M.: Science. 1973. - 344 p.].

На фиг. 1. представлена реализация способа. Рупорные антенны излучают (1) и принимают (2) линейно поляризованную электромагнитную волну по нормали к поверхности жидкости (3), а поворотом направляющих штырей (4 и 5) обеспечивается положение металлической пластины (6) - толщина зондируемого слоя. Поворот направляющих на угол

Figure 00000014
при шаге резьбы
Figure 00000015
 будет соответствовать поднятию или опусканию пластины на
Figure 00000016
 . In FIG. 1. the implementation of the method is presented. Horn antennas radiate (1) and receive (2) a linearly polarized electromagnetic wave along the normal to the liquid surface (3), and turning the guide pins (4 and 5) ensures the position of the metal plate (6) - the thickness of the probed layer. Angle rotation
Figure 00000014
 with thread pitch
Figure 00000015
 will correspond to raising or lowering the plate by
Figure 00000016
 .

На фиг. 2 приведен пример измеренной и расчетной зависимости коэффициента отражения от глубины погружения металлической пластины в растительное масло при

Figure 00000017
.In FIG. Figure 2 shows an example of the measured and calculated dependence of the reflection coefficient on the depth of immersion of a metal plate in vegetable oil at
Figure 00000017
 .

На фиг. 3 и фиг. 4 приведены частотные зависимости значений вещественной и мнимой частей комплексной диэлектрической проницаемости растительного масла, рассчитанные предлагаемым способом, а также данные, полученные нами с помощью метода открытого волновода [https://www.keysight.com/ru/ru/product/85070E/dielectric-probe-kit.html].In FIG. 3 and FIG. Figure 4 shows the frequency dependences of the values of the real and imaginary parts of the complex permittivity of vegetable oil, calculated by the proposed method, as well as the data obtained by us using the open waveguide method [https://www.keysight.com/ru/ru/product/85070E/dielectric -probe-kit.html].

Claims (1)

Способ измерения диэлектрической проницаемости жидких диэлектриков, заключающийся в том, что исследуемую среду облучают по нормали плоской электромагнитной волной, в которой опускается плоская металлическая пластина, определяется зависимость интенсивности отраженного поля от ширины слоя исследуемой жидкости, отличающийся тем, что сначала определяется вещественная часть комплексной диэлектрической проницаемости, а затем подбором мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости исследуемой среды до максимального совпадения положения самого глубокого минимума измеренной интерференционной зависимости с рассчитанной по формуле:
Figure 00000018
, где
Figure 00000019
,
Figure 00000020
Figure 00000021
,
Figure 00000022
,
Figure 00000023
Figure 00000024
,
Figure 00000025
 - длина волны в вакууме,
Figure 00000026
 - вычисленная вещественная часть комплексной диэлектрической проницаемости исследуемой жидкости,
Figure 00000027
 - искомая мнимая часть,
Figure 00000028
 - комплексная диэлектрическая проницаемость металлической пластины, определяемая по формуле Друде,
Figure 00000029
 - толщина зондируемого слоя,
Figure 00000030
 - мнимая единица.A method for measuring the dielectric permittivity of liquid dielectrics, which consists in the fact that the medium under study is irradiated along the normal with a plane electromagnetic wave, in which a flat metal plate is lowered, the dependence of the intensity of the reflected field on the width of the layer of the liquid under study is determined, characterized in that the real part of the complex permittivity is first determined , and then by selecting the imaginary part of the complex permittivity of the medium under study until the maximum coincidence of the position of the deepest minimum of the measured interference dependence with that calculated by the formula:
Figure 00000018
 , where
Figure 00000019
 ,
Figure 00000020
Figure 00000021
 ,
Figure 00000022
 ,
Figure 00000023
Figure 00000024
 ,
Figure 00000025
 is the wavelength in vacuum,
Figure 00000026
 - calculated real part of the complex permittivity of the investigated liquid,
Figure 00000027
 - desired imaginary part,
Figure 00000028
 - complex permittivity of a metal plate, determined by the Drude formula,
Figure 00000029
 - thickness of the probed layer,
Figure 00000030
 is the imaginary unit.
RU2022109575A 2022-04-11 Method for determining the imaginary part of the complex permittivity of liquid dielectrics with weak absorption in the range of 22-40 ghz RU2787302C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2787302C1 true RU2787302C1 (en) 2023-01-09

Family

ID=

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4866371A (en) * 1986-09-15 1989-09-12 Chevron Research Company Sample accommodator and method for the measurement of dielectric properties
SU1681279A1 (en) * 1989-04-24 1991-09-30 Институт Прикладной Физики Ан Бсср Method for measuring dielectric permittivity of liquids
WO2011031625A2 (en) * 2009-09-08 2011-03-17 California Institute Of Technology New technique for performing dielectric property measurements at microwave frequencies
US8994386B2 (en) * 2009-03-13 2015-03-31 Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives Method and device for measuring permittivity and/or permeability
RU2688825C1 (en) * 2018-04-11 2019-05-22 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Инстит физического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФМ СО РАН) Method for non-contact measurement of complex dielectric permeability of semiconducting liquids
RU2728250C1 (en) * 2020-02-20 2020-07-28 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук Method for non-contact determination of dielectric permeability of liquid dielectrics in ka band
RU2766059C1 (en) * 2021-05-14 2022-02-07 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук Method for contactless determination of dielectric permeability of liquid dielectrics in the range of 22-40 ghz

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4866371A (en) * 1986-09-15 1989-09-12 Chevron Research Company Sample accommodator and method for the measurement of dielectric properties
SU1681279A1 (en) * 1989-04-24 1991-09-30 Институт Прикладной Физики Ан Бсср Method for measuring dielectric permittivity of liquids
US8994386B2 (en) * 2009-03-13 2015-03-31 Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives Method and device for measuring permittivity and/or permeability
WO2011031625A2 (en) * 2009-09-08 2011-03-17 California Institute Of Technology New technique for performing dielectric property measurements at microwave frequencies
RU2688825C1 (en) * 2018-04-11 2019-05-22 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Инстит физического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФМ СО РАН) Method for non-contact measurement of complex dielectric permeability of semiconducting liquids
RU2728250C1 (en) * 2020-02-20 2020-07-28 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук Method for non-contact determination of dielectric permeability of liquid dielectrics in ka band
RU2766059C1 (en) * 2021-05-14 2022-02-07 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук Method for contactless determination of dielectric permeability of liquid dielectrics in the range of 22-40 ghz

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Laurent et al. Localized modes in a finite-size open disordered microwave cavity
Alrayes et al. Metamaterial-based sensor design using split ring resonator and Hilbert fractal for biomedical application
WO2021205503A1 (en) Dielectric spectroscopy measurement device and method
Yi et al. Noninvasive glucose sensors using defective-ground-structure coplanar waveguide
Kazemi et al. Detection of biological abnormalities using a near-field microwave microscope
CN114264627A (en) Terahertz sensor and using method thereof
RU2688825C1 (en) Method for non-contact measurement of complex dielectric permeability of semiconducting liquids
RU2787302C1 (en) Method for determining the imaginary part of the complex permittivity of liquid dielectrics with weak absorption in the range of 22-40 ghz
Töpfer et al. Micromachined 100GHz near-field measurement probe for high-resolution microwave skin-cancer diagnosis
EP2505995B1 (en) Method for determining the dielectric permittivity of a dielectric object
RU2728250C1 (en) Method for non-contact determination of dielectric permeability of liquid dielectrics in ka band
RU2766059C1 (en) Method for contactless determination of dielectric permeability of liquid dielectrics in the range of 22-40 ghz
Su et al. Detection of impurities in nonmetallic materials based on tilted spoof surface plasmon polaritons
Ahmed et al. Non-destructive dielectric measurement and mapping using microwave holography
Kazemi et al. Microwave reflectometry for noninvasive imaging of skin abnormalities
Zhang et al. A CSRR-Based Dual-Peaks Antenna Sensor for Full Characterization of Magneto-Dielectric Materials
Heunisch et al. Reflection of coherent millimeter-wave wavelets on dispersive materials: A study on porcine skin
JP7505740B2 (en) Method and device for measuring the concentration of aqueous solution using electromagnetic waves
RU2713162C1 (en) Method of determining dielectric permeability of material
Paul et al. A novel piecewise riccati-based sar microwave imaging technique for the detection of objects inside the layered media
CN111141686A (en) Substance fingerprint spectrum sensing device and measuring method
Hasar et al. Dielectric Constant Measurement Using Time-Domain Shifted Metal-Backing Measurements
RU2321010C1 (en) Device for measurement of high quantities of complex dielectric constant of low-impedance composite materials at shf
RU2790085C1 (en) Method for remote measurement of complex dielectric permittivacy of plane layered dielectrics of natural origin
Amiet et al. Free space microwave permittivity and permeability measurements