SU1631378A1 - Сверхвысокочастотный измеритель влажности сред - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измери- тельной технике и может использоватьс  дл  измерени  влажности различных сред и профил  распределени  влажности в них. Цель изобретени  - повышение чувствительности и увеличение разрешающей способности при измерении влажности сыпучих и гранулированных сред, а также расширение функциональных возможностей путем определени  минерализации сред и расширение динамического диапазона. Сверхвысокочастотный измеритель влажности сред содержит СВЧ генератор 1, направленSS

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано дл  измерени  влажности различных сред, например почвогрунтов, зерна, силоса и т.д., а также дл  измерени  профил  распределени  влаж- ности в них.

Цель изобретени  - повышение чувствительности и увеличение разрешаю- щей способности при измерении влажности сыпучих и гранулированных сред, а также расширение функциональных возможностей путем определени  минерализации сред и расширение динамическо- го диапазона.

На фиг.1 приведена структурна  электрическа  схема сверхвысокочастотного измерител  влажности сред; на фиг.2 - конструкци  зонда со штыревой антенной.

Сверхвысокочастотный измеритель влажности сред содержит СВЧ генератор 1, первый направленный отвеуви- тель (НО) 2, первый разв зывающий элемент 3, например, в виде феррито- вого циркул тора, зонд 4 измеритель 5 разности фаз, второй направленный ответвитель (НО) 6, детектор 7, последовательно соединенные регу - лируемый аттенюатор 8 и буферный каскад 9, образующие активный разв зывающий узел 10, а также аналого-цифровые преобразователи 11 и 12, контроллер 13, микроЭВМ 14.

Зонд 4 выполнен в виде разомкнутой на одном конце отрезка коаксиальной линии 15 и с разъемом 16 на другом. К центральному проводнику 17 линии 15 присоединена штырева  антенна 18 через узел 19 возбуждени  в виде ступенчатого перехода, закрыта  радиопрозрачной оболочкой 20, на поверхности которой находитс  под

0

35

5 о

45 40

строечна  трубчата  насадка 21 с фиксирующими винтами 22.Конец насадки 211 вставлен в отверстие в металлическом конусе 23 и фиксируетс  кольцом 24. Между торцом насадки 21 и дном отверсти  конуса 23 вставлен радиально- упорный подшипник 25 качени . На внешней поверхности конуса имеетс  ступенька 26, предназначенна  дл  фиксации полого бура.

Устройство работает следующим образом .

Подвижный полый бур надвигаетс  на область штыревой антенны 18. Далее, вращением бура, зонд 4 со штыревой антенной 18, узлом 19 возбуждени , диэлектрической насадкой 21, конусом 23 погружаетс  в исследуемую среду на необходимую глубину.

Схема устройства соответствует случаю, когда отрезок линии, возбуждаемой СВЧ 1 генератором, подключен к некоторому нагрузочному сопротивлению , в общем случае комплексному, которым  вл етс  входной импеданс штыревой антенны 18. Поэтому амплитуда и фаза отраженной волны определ ютс  комплексным входным сопротивлением штыревой антенны 18, св занным с диэлектрической проницаемостью области среды Ј,. , окружающей антенну

ZM.ze«SsJ J rfL t(1)

Я о + HlM c-tgp1

вх

где Z0 - волновое сопротивление антенны в воздухе;

(Цс и 6С - абсолютные магнитна  и ди- электрическа  проницаемости

среды; - электрическа  длина антенны.

516

Диэлектрическа  проницаемость среды св зана с ее влажностью. Коэффициент отражени  определ етс  с помощью измерител  5. На коэффициент отражени  помимо действительной части (Ј1) исследуемой среды существенное вли ние оказывает и ее мнима  часть (Ј), определ ема  собственной проводимостью среды и ее компонентов . В большинстве случаев эта добавка не учитываетс , так как составл ет единицы процентов от действительной части. Однако уже на частотах дециметрового и метрового диапазонов волн она становитс  значительной и дл  засоленных почв и грунтов составл ет 20-30%.

Поэтому при измерени х влажности таких сред могут быть допущены существенные ошибки. При измерении только одной величины, определ емой свойствами исследуемого объекта, эту ошибку исключить нельз , что приводит к неоднозначности измерений и резкому ухудшению точности результатов .

Этот факт дает принципиальную возможность измерить степень минерализации почвогрунтов и исключить ее вли ние на результат измерени  влажности введением в устройство дополнительного канала, измер ющего вторую величину, завис щую1 от влажности и солености, но имеющую эту зависимость отличную от аналогичной зависимости дл  коэффициента отражени  (КО). Такой величиной выбрана ра зность фаз между падающей и отраженной СВЧ волнами , дл  чего в СВЧ измеритель влажности введен измеритель 5 разности фаз. В этом случае имеют две зависимости , представл ющие систему уравнений

R f, (Ј, Ј f, (О;

АУ f2e ,e) fa(6),

где R - коэффициент отражени ;

Ду - разность фаз.

Комплексна  диэлектрическа  проницаемость почвы, в свою очередь, однозначно зависит от влажности Ј f(W). Следовательно,влажность (W) функционально св зана с измер емыми величинами R и Ду

W F(R, Ду).

378

Следует отметить, что при работе на частотах ниже 2 Гц значени  Ј в основном определ ютс  минерализацией почвенной влаги. Это дает возможность составить два типа градун- ровочных кривых - зависимостей от влажности и солености разности фаз и аналогичные зависимости дл  коэффициента отражени . Причем крутизна зависимостей R(W) , R(S) nAq(R), (S) будет существенно различной. При этом влажность и соленость определ ютс  в результате сравнени  тан5 генсов угла наклона указанных характеристик по соответствующим номограммам , получаемым калибровкой.

Известные трудности представл ет учет типа грунта, поскольку химические и механические различи  дл  различных почв и грунтов внос т известные погрешности в результат измерений. В большинстве случаев требуетс  введение поправочного коэффициента на

5 тип грунта, что не всегда удобно и точно.

Предлагаемое устройство имеет комплект калибрующих насадок, соответствующих различным типам почво0 грунтов при нулевых влажности и солености . Введением активной зоны зонда в насадку определ етс  нулева  точка отсчета, соответствующа  абсолютно сухому веществу. Втора  точка отсчета , соответствующа  максимальному коэффициенту отражени , выставл етс  в положении, когда подвижна  пола  металлическа  штанга полностью закрывает штыревую антенну. Этим ре0 шаетс  вопрос калибровки влагомера. Калибрующие насадки изготавливаютс  из смеси композиционных материалов - цемента, графита и окиси титана, смешива  которые в определенных соотнос шени х можно имитировать любое значение комплексной почвы, сухой и увлажненной до полной влагоемкости, когда все поры почвы зан ты водой.

Диаметр штыревой антенны 18 опре0 дел етс  соотношением

, D

Т,4...2,6

где d - диаметр штыревой антенны D - наружный диаметр радиопрозрачной оболочки 20. Экспериментально обнаружено, что при таком соотношении диаметров антенны и фидера имеет место наиболее

5

оптимальное соотношение динамического диапазона изменени  КО и диапазона изменений влажности. Это возникает за счет наиболее глубокого проникновени  СВЧ пол  в среду с одной стороны и лучшего согласовани  волновых сопротивлений штыревой антенны и почвогрунта с другой. Знаменатель приведенного соотношени  зависит и определ етс  диэлектрической проницаемостью разнопрозрачной оболочки 20 на антенну 18, котора  может мен тьс  от 2 до 50, что компенсирует ее вли ние на чувствительность СВЧ влагомера . Длина штыревой антенны выбрана близкой к четвертьволновой и определ етс  из формулы

16313788

Волновое сопротивление коаксиальной линии 50 см, а волновое сопротивление грунта от 80 до 300 см - в зависимости от типа и влажности. Поэтому входное сопротивление антенны 18 должно быть близким к 300 см, а в сухом грунте иметь возможность перестраиватьс . Кроме того, оно должно быть согласовано с волновым сопротивлением коаксиальной линии 15, Переход от сопротивлени  50 см к 300 Ом осуществл етс  ступенчатым переходом, среднее звено которого имеет волновое сопротивление, равное

Ю

15

Р Hpt pi 122,5

Ом

где 1 - длина антенны, см;

$9 - рабоча  длина волны СВЧ генератора в свободном про- j странстве, см; Ј Р - относительна  диэлектрическа  проницаемость радиопрозрачной оболочки 20. При погружении зонда в среду на его активную зону и прежде всего на радиопрозрачную оболочку 20 действуют сильные механические нагрузки, особенно нагрузки на кручение. Это может привести к выходу ее из стро . Дл  предотвращени  этого оболочка 20 вставлена в металлический конус 23, защищающий ее от нагрузок давлени  и полностью разв зана от нагрузок врщени . При ввинчивании.в среду все давление (вертикальное усилие) передаетс  на конус 23, диаметр которого выбран таким, что грунт раздвигаетс  в стороны. Это исключает давление на стенки коаксиальной линии 15.

При введении антенны в исследуемую среду при нулевой влажности имеет место минимальное рассогласование в волновых сопротивлени х антенны и среды. Этим обусловлены минимальные показани  индикатора измерител , так как незначительна  часть мощности от ражаетс  только из-за этого рассогласовани , а уровень мощности повышает порог чувствительности измерител . Принцип работы измерител  влажности предполагает максимальное рассогласование антенны с влажным грунтом и полное согласование ее с сухим

Р Hpt pi 122,5

Ом

0

5

0

5

0

5

0

5

Подстройка осуществл етс  перестраиваемым узлом возбуждени . Передвижени ми трубчатой насадки 21 относительно антенны можно настраивать антенну 18 на разные типы почвогрун- тов или других сред. При этом мен етс  длина согласующего перехода, а это приводит к изменению его трансформирующих свойств и дает возможность согласовывать волновое сопротивление антенны 18 в сухом грунте с волновым сопротивлением коаксиальной линии 15. При этом-компенсируетс  реактивна  составл юща  входного сопротивлени  антенны дл  различных сред, и антенна 18 настраиваетс  на резонанс .

Антенна работает в т.п. режиме ближней зоны и измерени  параметров антенны 18. Этот режим работы, когда антенна помещена непосредственно в исследуемую среду, гораздо более чувствителен и информативен, чем режим антенны вне среды, поскольку в этом случае антенна 18 значительно лучше откликаетс  на изменени  параметров исследуемого объекта. Однако без учета особенностей такого включени  антенны 18 может произойти резкое падение чувствительности за счет превышени  диапазона -изменени  параметров среды динамического диапазона приемного тракта. Чтобы этого не случилось,в измерительный тракт между основным каналом НО 6 и детекторной секцией 7 включен активный разв зывающий узел 9, значительно повышающий разв зку между зондом и измерительным трактом, который в этом Случае работает независимо от

изменени  реактивного сопротивлени  чувствительного элемента - зонда 4.

Claims (3)

1. Сверхвысокочастотный измеритель влажности сред, содержащий СВЧ генератор, соединенный с первым плечом разв зывающего элемента, к второму плечу которого подсоединен зонд, выполненный в виде разомкнутого на конце отрезка коаксиальной линии, и детектор, включенный меж- (ду третьим плечом разв зывающего элемента и входом индикатора, отличающийс  тем, что, с целью повышени  чувствительности и увеличени  разрешающей способности при измерении влажности сыпучих и гранулированных сред, введены штырева  антенна , размещенна  в радиопрозрачной оболочке, один конец которой подсоединен к центральному проводнику отрезка коаксиальной линии через введенный узел возбуждени , и трубчата  насадка, установленна  с возможностью перемещени  на радиопрозрачной оболочке, при этом диаметр d штыревой антенны выбран из услови 

D

(1,4...2,0)

3137810

дл  значений диэлектрической проницаемости материала радиопрозрачной оболочки в пределах от 2 до 50, где D - наружный диаметр радиопрозрачной оболочки и внутренний диаметр трубчатой насадки.

2.Измеритель по п.отличающийс  тем, что, с целью

Q расширени  функциональных возможностей путем определени  минерализации сред, СВЧ-генератор соединен с первым плечом разв зывающего элемента через основное плечо введенного пер )5 вого направленного ответвител , а третье плечо циркул тора соединено с входом детектора через основное плечо введенного второго направленного ответвител , при этом выходы вспомо20 гательных плеч введенных первого и второго направленных ответвителей подсоединены соответственно к входам введенного измерител  разности фаз.

3.Измеритель по пп.1 и 2, о т - 25 личающийс  тем,.: что, с

целью расширени  динамического диапазона , выход основного плеча второго направленного ответвител  соединен с входом детектора через введенный 30 активный разв зывающий узел, выполненный в виде последовательно соединенных регулируемого аттенюатора и буферного каскада.

Фиг. 2

//,

18