SU1013829A1

SU1013829A1 - Uhf device for measuring humidity

Info

Publication number: SU1013829A1
Application number: SU782564645A
Authority: SU
Inventors: Юрий Алексеевич Скрипник; Анатолий Дмитриевич Стовбун; Александр Иванович Лавриненко; Прокофий Васильевич Войтеховский; Юрий Максимович Безбородов; Роберт Васильевич Киселев; Александр Васильевич Лавренко
Original assignee: Всесоюзный научно-исследовательский институт аналитического приборостроения; Киевское Высшее Военное Инженерное Дважды Краснознаменное Училище Связи Им.М.И.Калинина
Priority date: 1978-01-03
Filing date: 1978-01-03
Publication date: 1983-04-23

Abstract

СВЕРХВЫСрКОЧАСТОТНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕЕЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ, содержащее последовательно соединенные генератор, аттетоатор/ коаксиальный резонатор с емкостным зазором , детектор, фильтр низкой частоты , усилитель, синхронный детек- . тор, индикатор и генератор низкой частоты, соединенный также с управ . : -J.-4 йЛа г;йдi л ющим входом синхронного детектора , отличающеес тем, что, с целью повышени быстродействи измерений в услови х производства ,. IB него введены формирователь пр моугольных импульсов, фа;зоинвертор и формирователь пилообразных импульсов, в cTSHjcax внешнего проводника резонатора выполнены отверсти св зи с установленными в . них n-i-p-i-п-диодами, а в емкостном зазоре резонатора установлен варакторный диод, причём формироBaTeJib пр моугольных импульсов соединен с фазоинвертором, а между подключен формирователь пило ,образных импульсов выход которого соединен с варакторным диодом, сл при этом n-i-p- l-n диоди соединены соответственно с выходами фазоинвёрсг тора и формировател пр моугольных импульсов, вход которого соединение :выходом генератора низкой частоты.SUPER-HIGH-FREQUENCY DEVICE FOR MEASURING MOISTURE, containing a series-connected generator, an athetoator / coaxial resonator with a capacitive gap, a detector, a low-pass filter, an amplifier, a synchronous detector. torus, indicator and low frequency generator, also connected to the control. : -J.-4 ÅLa g; ydi le input of the synchronous detector, characterized in that, in order to increase the speed of measurements in production conditions,. IB introduces a rectangular pulse shaper, a phase inverter and a sawtooth pulse shaper, in the cTSHjcax of the external resonator conductor communication holes are made with the mounted in. they have nipi-p-diodes, and in the capacitive gap of the resonator a varactor diode is installed, and the rectangular pulses are formed with a rectangular pulse connected to the phase inverter, and between them a saw is shaped, and the output pulse is connected to the varactor diode, and the nip-ln diode is connected respectively to the outputs of the phase inverters of the torus and the square pulse shaper, whose input is the connection: the output of the low-frequency generator.

Description

0000

NdNd

CDCD

Изобретение относитс к сверхвысокочастотной (СВЧ7 влагометрии и может быть использовано дл контрол влажности различных материалов, например тканей,, бумажного полотна, натуральных и искусственных кож, пленок белковой оболочки дл пищевых продуктов и т.п.The invention relates to ultra-high frequency (microwave frequency moisture measurement) and can be used to control the moisture of various materials, such as fabrics, paper web, natural and artificial leather, protein coating films for food products, and the like.

Известен СВЧ-влагометр, содержащий коаксиальный датчик-резонатор, открытый со стороны исследуемого материала. Резонатор снабжен возвратно-поступательным механизмом. При перемещении резонатора с помощь возвратно-поступательного механизма по отношению к исследуемому материалу в какой-то, момент частота резонатора совпадает с частотой генератора. Поэтому независимо от начального зазора между датчиком и исследуемым материалом всегда возникает резонанс. Сигнал, снимаемый с резонатора в этот момент, вл етс максимальным и его величина определ етс потер ми, вносимыми влажным материалом, которые однозначно св заны со значением влагосодержани . Максимальное значение сигнала,с помощью пикового детектор преобразуетс в посто нное напр жение , которое регистрируетс выходным прибором 1.Known microwave moisture meter containing coaxial sensor-resonator, open from the side of the material. The resonator is equipped with a reciprocating mechanism. When moving the resonator with the help of the reciprocating mechanism in relation to the material under study at some point, the frequency of the resonator coincides with the frequency of the generator. Therefore, regardless of the initial gap between the sensor and the test material, resonance always occurs. The signal taken from the resonator at this moment is maximum and its value is determined by the loss introduced by the wet material, which is uniquely related to the value of moisture content. The maximum value of the signal, with the help of a peak detector, is converted into a constant voltage, which is detected by the output device 1.

Однако в данном устройстве выходной сигнал СВЧ-влагомера зависит от неконтролируемых в услови х производства колебаний мощности генератора СЕЧ, от температурных; и других изменений чувствительности СВЧдетрктора и звеньев низкочастотного тракта, а также большое врем измерени влажности.However, in this device, the output signal of the microwave hygrometer depends on the fluctuations in the power of the SEC generator, which are uncontrolled under the conditions of production, on temperature; and other changes in the sensitivity of the microwave detector and links of the low-frequency path, as well as a long time measurement of humidity.

Известно также СВЧ-устройство дл измерени влажности, содержащее последовательно соединенные генератор , аттенюатор, коаксиальный pesoнатор с емкостным зазором, детектор фильтр низкой частоты, усилитель, с,инхронный детектор, индикатор и генератор низкой частоты, соединенный также с управл ющим входом синхронного детектора 23.It is also known a microwave device for measuring humidity, containing a series-connected generator, attenuator, coaxial pesonator with a capacitive gap, a detector, a low-frequency filter, an amplifier, a c, an synchronous detector, an indicator, and a low-frequency generator, also connected to the control input of the synchronous detector 23.

. Однако известное СВЧ-устройство дл измерени влажности характеризуетс низким быстродействием измерений в услови х производства, св занным с наличием в СВЧ-тракте аттенюатора с жесткими -ребовани Ми к линейности и стабильности регулировочной характеристики и наличием электромеханического звена.. However, the known microwave device for measuring humidity is characterized by low measurement speed under production conditions, due to the presence in the microwave path of the attenuator with hard-Mi requirements for linearity and stability of the control characteristic and the presence of an electromechanical link.

Цель изобретени - повышение быстродействи измерений в услови х производств.The purpose of the invention is to increase the measurement speed under production conditions.

Цель достигаетс тем, что в СВЧ-устройство дл измерени влажности f содержащее последовательно соединенные генератор, аттенизэтор, The goal is achieved by the fact that in a microwave device for measuring humidity, f contains a series-connected generator, an attenisator,

коаксиальный резонатор с емкостным зазором, детектор, фильтр низкой частоты, усилитель, синхронный детектор, индикатор и генератор низкой частоты, соединенный также сa coaxial resonator with a capacitive gap, a detector, a low-frequency filter, an amplifier, a synchronous detector, an indicator and a low-frequency generator, also connected to

управл ющим входом синхронного детектйра , введены формирователь пр моугольных импульсов, в стенках внешнего проводника резонатора выполнены отверсти св зи с установленными в них n-i-p-i-n - диодами, а в емкостном зазоре резонатора установлен варакторный диод, причем формирователь пр моугольных импульсов соединен с фазоинвертором, а the control input of the synchronous detector, a square pulse shaper are inserted, communication holes are made in the walls of the outer conductor of the resonator with n-i-p-i-n diodes installed in them, and a varactor diode is mounted in the capacitive gap of the resonator, and the square pulse shaper is connected to the phase inverter, and

5 между ними подключен формирователь пилообр зных импульсов, выход которого соединен с варакторным диодом, при этом n-i-p-i-n -диоды соединены соответственно с выходами фазоинвер0 тора и формировател пр моугольных импульсов, вход которого соединен с выходом генератора низкой частоты .5, a shaper of a pulsed pulse is connected between them, the output of which is connected to a varactor diode, and the n-i-p-i-n diodes are connected respectively to the outputs of a phase inverter and a rectangular pulse shaper, whose input is connected to the output of a low-frequency generator.

На фиг. 1 представлена функциональна схема СВЧ-устройства дл измерени влажности; на фиг. 2 конструктивное выполнение коаксиального резонатораj на фиг. 3 эпюры управл ющих напр жений на различных элементах схемы и зшоры выходного сигнала.FIG. 1 is a functional diagram of a microwave device for measuring humidity; in fig. 2 shows the construction of the coaxial resonator j in FIG. 3 diagrams of control voltages on the various elements of the circuit and output horizons.

Функциональна схема; содержит последовательно соединенные генератор 1, аттенюатор 2, коаксиальный резонатор 3 с емкостным зазором, детектор 4, фильтр 5 низкойFunctional scheme; contains a series-connected generator 1, attenuator 2, coaxial resonator 3 with a capacitive gap, detector 4, filter 5 low

частоты (ФНЧ), усилитель 6, синхронный детектор 7, индикатор 8, генератор 9 низкой частоты, соединенный также с управл ющим входом синхронного детектора 7. Кроме того, схема содержит формирователь 10 пр моугольных импульсов, фазоинвертор 11 и формирователь 12 пилообразных им пульсов.frequency (low-pass filter), amplifier 6, synchronous detector 7, indicator 8, low-frequency generator 9, also connected to the control input of synchronous detector 7. In addition, the circuit contains a shaper of 10 rectangular pulses, a phase inverter 11 and a shaper of 12 sawtooth pulses.

5 Формирователь 10 пр моугольных импульсов соединен с фазоинвертором 11, а между ними подключен формирователь 12 пилообразных импульсов, выход которого соединен с варактор0 нь1М диодом 13. N-i-p-i-n -диоды 14 соединены соответственно с выходами фазоинвертора 11 и формировател 10 пр моугольных импульсов, вход которого соединен с выходом генератора5 A shaper of 10 rectangular pulses is connected to a phase inverter 11, and between them a shaper of 12 sawtooth pulses is connected, the output of which is connected to a varactor0 n1M diode 13. Nipin diodes 14 are connected to the outputs of a phase inverter 11 and the shaper of 10 rectangular pulses, which input is connected to generator output

9 низкой частоты.9 low frequency.

В стенках внешнего проводника коаксиального резонатора выполнены отверсти св зи с установленными в них n-i-p-i-n -диодами 14, а в емкостном зазоре резонатора установлен варакторный диод 13. Управл ющие /напр жени подаютс ох источников на h-i-p-i n-диоды 14 по проводам 15, а- на варакторный диой по проводу 16. Генератор 1 и детектор 4 подключены к Коаксиальному резонатору 3 iчерез соответствующие волноводы ( ил коаксиальные линии). Устройство содержит также эталон ный 17 и исследуемый 18 образцы. Устройство работает следующим образом.. Сигнал, поступающий от генератора 1, возбуждает ъ коаксиальном резонаторе 3 вынужденные электромагнитные колебани . Варакторный диод -13 обеспечивает перестройку резона .тора таким образом, что об зательно аастота генератора и собственна частота резонатора 3 в какой-то . момент совпадут, При этом в резонаторе 3 возникают собственные колебани , амплитуда д оторых определ етс добротностью резонатора. Резонансна частота и амплитуда колебаний эквивалентного резонатору 3 контура определ ютс не только ег собственными параметрами, но и высокими реактивными и активными соетавл ющими элементов св зи, подключенными к резонатору 3. При подключении эталонного образца 17 эквивалентный колебательный контур имеет определенную резонансную частоту f с определенной амплитудой колебаний А, а при подключении исследу емого образца 18 контур имеет другу резонансную частоту f и амплитуду колебаний Aj. Реактивна составл й)ща частоты исследуемого .образца .18 незначительно измен ет резонансную частоту колебательного контура (т.е собственна частота резонатора почти .не зависит от влажности образца) и поскольку имеетс возможность перестраивать контур с помощью емкости в арак TOpaV о при этом об зательно в контуре возникают собственные колебани на частоте генератора fg. Амплитуда же этих колебаний зависит от внесенной в контур активной составл ющей исследуемого образца (т.е. добротности резонатора) и будет тем больше, чем меньше влажность , а с увеличением влажности амплитуда колебаний уменьшитс . Эпюры управл ющих напр жений (фиг. 3) на различных элементах схемы и эпюры выходного сигнала по сн ют работу предложенного устройства От синусоидального напр жени генера тора 9 низкой частоты (а) Формируютс две меандровые Последовательности (йГи), сдвинутые по фазе на 180 которые управл ют работой n-i-p i-nдиодов 14, осуществл поочередное открывание окон св зи резонатора. Одновременно измен етс напр жение на варакторном диоде 13, а значит и его емкость Су. Управл ющее напр жение варакторного диода 13 по форме может быть различным, период изме- . нени управл ющего напр жени определ етс длительностью пр моугольных импульсов, передаваемых на п-1-p-i-nдиоды 14. При изменении емкости варакторного диода 13 от минимальной до максимальной ее величины в момент/ когдд частота резонатора 3 станет равной частоте генератора 1, сигн.ал, снимаемый с резонатора, пропорционален его добротности, котора однозначно св зана с влажностью исследуемого образца 18 или параметрами эталонного образца 17.. Этот сигнал поступает на детектор 4. Напр жени , снимаемые с детектора 4 (-( ,о|с) имеют форму сдвоенных импульсов . Измен форму пилообразного управл ющего напр жени на варакторном диске 13 можно получать различные формы напр жений, снимаемых с детектора 4. . Низкочастотна составл юща спектра последовательно сдвоенных импульсов выдел етс фильтром 5 низких частот (е, з), усиливаетс усиливатёлем б, детектируетс синхролным детектором 7 и поступает на индикатор 8. Из эпюр (е и (видно, что если напр жение , снимаемое с выхода фильтра 5. нижних частот, в J)a3e с опорным нйпр жением генератора 9 низкой часто:ты (а-е, то это соответствует большей влажности исследуемого образца 18, чем эталонного образца 17, и на оборот , если это напр жение в противофазе с опорным, это соответствует меньшей влажности исследуемого образца 18, чем эталонного образца 17 (а, з). Амплитуда этих напр жений пропорциональна отклонению измер емой влажности материала от нормируемой. При уменьшении jf увеличении ) мощности -енератора или чувствительности детектора 4 уменьшаетс (увеличиваетс ) сигнал о влажности, но также уменьшаетс (увеличиваетс сигнал, поступающий от эталонного образца 17, Но отношение этих сигналов при посто нной влажности остаетс неизменным. Таким образом, выходной сигнал не зависит от колебаний уровн мощности генератора 1/ чувствительности детектора 4, нестабильностбй усилител б, синхронного детектора 7, и его пол рность из1лен етс в зависимости от знака отклонени влажности от нормируемой. Синхронизаци работы схемы осуществл етс от опорного генератора 9 низкой частоты. Сигнал с него поступает на формирователь 10 пр моугольных импульсов и далее наIn the walls of the outer conductor of the coaxial resonator, communication holes are made with nipin-diodes 14 installed in them, and a varactor diode 13 is installed in the capacitance gap of the resonator 13. The control / voltage is supplied to the sources of hipi-n diodes 14 via wires 15, and Varactor diode through the wire 16. The generator 1 and the detector 4 are connected to the Coaxial resonator 3 through the corresponding waveguides (silt coaxial lines). The device also contains reference 17 and 18 samples under study. The device operates as follows. The signal from the generator 1 excites forced electromagnetic oscillations in the coaxial resonator 3. Varactor diode -13 provides for the restructuring of the resonator in such a way that it is necessary to initiate the generator and the natural frequency of the resonator 3 to some one. the moment coincides. In this case, natural oscillations occur in the resonator 3, the amplitude of which is determined by the quality factor of the resonator. The resonant frequency and amplitude of oscillations equivalent to a 3-loop resonator are determined not only by its own parameters, but also by high reactive and active coupling elements connected to the resonator 3. When a reference sample 17 is connected, the equivalent oscillating circuit has a certain resonant frequency f with a certain amplitude oscillations A, and when the test sample 18 is connected, the circuit has a friend the resonant frequency f and the amplitude of oscillations Aj. The reactive composition of the frequency of the sample under study .18 slightly changes the resonant frequency of the oscillatory circuit (i.e., the resonator's own frequency does not depend almost on the sample humidity) and since it is possible to rebuild the circuit using the TOpaV capacitor, this is essential. natural oscillations occur in the circuit at the generator frequency fg. The amplitude of these oscillations depends on the active component introduced into the circuit of the sample under study (i.e., the resonator quality factor) and the greater the humidity, the smaller the amplitude of the oscillation will be. Control voltage plots (Fig. 3) on various circuit elements and output signal plots explain the operation of the proposed device. From a sinusoidal voltage of a low-frequency generator 9 (a) Two meander sequences (jGi) are shifted out of phase by 180 which control the operation of the nip i-n diodes 14, alternately opening the communication windows of the resonator. At the same time, the voltage on the varactor diode 13 changes, and hence its capacitance Su. The control voltage of the varactor diode 13 may vary in shape, the period of measurement. The control voltage is determined by the duration of the rectangular pulses transmitted to the n-1-pi-n diodes 14. When the capacitance of the varactor diode 13 changes from its minimum to maximum value at the moment / when the frequency of the resonator 3 becomes equal to the frequency of the generator 1, the signal. The voltage taken from the resonator is proportional to its quality factor, which is unambiguously related to the humidity of the sample under study 18 or the parameters of the reference sample 17 .. This signal goes to detector 4. Voltages taken from detector 4 (- (, o | s) have the form doubles pulses. By changing the shape of the sawtooth control voltage on the varactor disk 13, you can get different forms of voltages taken from the detector synchrol detector 7 and goes to the indicator 8. From the diagrams (e and (see that if the voltage taken from the output of the low pass filter 5. in J) a3e with the reference voltage of the generator 9 is low: you often (ae, then it corresponds more the humidity of the sample under study is 18 than that of the reference sample 17, and per revolution, if it is the voltage in antiphase with the reference one, this corresponds to a lower humidity of the test sample 18 than the reference sample 17 (a, g). The amplitude of these stresses is proportional to the deviation of the measured moisture content of the material from the normalized one. When jf increases, the power of the generator or the sensitivity of detector 4 decreases (increases) the humidity signal, but also decreases (the signal from the reference sample 17 increases, but the ratio of these signals at constant humidity remains unchanged. Thus, the output signal does not depends on the oscillations of the power level of the generator 1 / sensitivity of the detector 4, the instability of the amplifier b, the synchronous detector 7, and its polarity is determined depending on the sign of the deviation of humidity from the normalized The circuit is synchronized from the low-frequency reference oscillator 9. The signal from it is fed to the shaper of 10 square-wave pulses and then to

Claims

SUPER HIGH FREQUENCY HUMIDITY MEASUREMENT DEVICE, containing series-connected. nye generator, attenuator, coaxial resonator with capacitive gap, detector, low-pass filter, amplifier, synchronous detector. torus, indicator and low-frequency generator, also connected to the

Bull. No. 15 • 4 ” ^{by the} input of the synchronous detector, characterized in that, in order to increase the measurement performance under production conditions, a rectangular ^ν gel, a phaeo-inverter and a sawtooth pulse shaper are introduced into it, communication holes are made in the walls of the external resonator conductor with established in. nipin diodes, 'and a varactor diode is installed in the capacitive gap of the resonator, and the square-wave pulse former is connected to the phaeo-inverter, and the sawtooth pulse former is connected between it and the output is connected to the varactor diode, while n-i'-pi-n diodes are connected respectively with the outputs of the bass reflex and rectangular pulse shaper, the input of which is connected to the output of the low-frequency generator.

<2.

to J ' ·