устройство для измерения влажности листовых диэлектрических материалов

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ЛИСТОВЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ, содержащее объемные опорный и измерительный резонаторы, связанные идентичными отверстиями связи с отрезком прямоугольного волновода и нагруженные на высокочастотный детектор, причем измерительный резонатор разделен щелью на две соосных цилиндрических полости, первая из которых закреплена на стенке отрезка прямоугольного волновода, на противоположной стенке которого соосно закреплен опорный резонатор, отличающееся тем, что вторая цилиндрическая полость измерительного резонатора соединена с первой цилиндрической полостью при помощи самоцентрирующегося магнитного подвеса, выполненного в виде двух намагниченных по оси постоянных кольцевых магнитов, которые соосно закреплены соответственно на наружных поверхностях первой и второй цилиндрических полостей измерительного резонатора, при этом высота второй цилиндрической полости не превышает четверти резонансной длины волны колебания типа Н₀₁₁, а ее внутренний диаметр больше внутреннего диаметра первой цилиндрической полости, в которой заподлицо с торцевой кромкой установлена металлическая втулка с наружным диаметром, равным внутреннему диаметру первой цилиндрической полости, и с диаметром отверстия, запредельным для резонансной частоты колебания типа Н₀₁₁, при этом в отверстии металлической втулки установлено не менее шести металлических ребер, разделяющих его на равные сектора, с высотой, равной высоте металлической втулки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике СВЧ-влагометрии и может быть использовано для измерения влажности различных листовых диэлектрических материалов, например бумаги, картона, сукон, тканей, как в лабораторных, так и в производственных условиях при технологическом контроле влажности материалов, в частности, для определения профилограмм влажности сукон.

Известно большое количество СВЧ-влагомеров, из которых широкое распространение получили влагомеры, основанные на применении излучающих устройств.

Известное устройство для измерения влажности листовых диэлектрических материалов выполнено в виде цилиндрического резонатора, разделенного щелью на две части. Когда щель разделяет резонатор на две одинаковые симметричные части, в нем возбуждаются два вырожденных колебания типа Н₀₁₁ и типа Е₁₁₁. Колебание типа Н₀₁₁ позволяет устранить влияние анизотропии свойств материала на результаты измерения влажности. С помощью мер, предусматривающих введение специальных проточек или диэлектрических дисков и диэлектрического штыря, снимается вырождение между колебаниями типа Н₀₁₁ и типа Е₁₁₁. Измеряемый материал вводится в щель и, интенсивно взаимодействуя с колебанием типа Н₀₁₁, так как находится в максимуме электрического поля, изменяет резонансную частоту данного колебания. При этом резонансная частота колебания типа Е₁₁₁изменяется незначительно. По результатам измерения изменения разности между резонансными значениями частот колебаний типа Н₀₁₁ и типа Е₁₁₁полого резонатора и резонатора, содержащего измеряемый материал, определяют величину влажности материала. Оба колебания детектируются одним СВЧ-детектором, поэтому нестабильность мощности СВЧ-колебаний и температурная зависимость чувствительности СВЧ-детектора не влияют на точность измерения влажности материала. Щель по-разному влияет на резонансные частоты колебаний типа Е₀₁₁ и типа Е₁₁₁, поэтому размер щели выбирается и фиксируется таким, при котором небольшие изменения высоты щели слабо изменяют величину разности между значениями резонансных частот рассматриваемых типов колебаний.

Указанное условие достигается при определенных величинах проточек во внутренней полости резонатора. Для уменьшения связи измеряемого материала с резонатором, с целью расширения диапазона измеряемых значений его влажности, материал размещается в щели, расположенной ближе к нижнему торцу резонатора. При этом щель разделяет резонатор на неравные части, и в резонаторе возбуждается только колебание типа Н₀₁₁, так как несимметричная щель за счет излучения сильно уменьшает добротность колебания типа Е₁₁₁ и регистрация последнего становится затруднительной и неопределенной. В этом случае в прототипе используется отдельный опорный резонатор, который может быть идентичен с измерительным резонатором и который нагружен на идентичный с измерительным резонатором СВЧ-детектор. Измерение изменения резонансной частоты колебания типа Н₀₁₁, обусловленное введением материала в щель измерительного резонатора, осуществляется теперь относительно резонансной частоты колебания, возбуждаемого в опорном резонаторе. При этом сохраняются все описанные преимущества.

Основными недостатками этого устройства являются скопление частичек измеряемого материала на нижней торцевой поверхности измерительного резонатора, произвольное положение измеряемого материала по высоте щели, сильное уменьшение добротности колебания типа Н₀₁₁, вызываемое материалом, имеющим высокое значение влажности и невозможность использования данного устройства для измерения профилограмм влажности материалов. Для удаления из нижней части резонатора частичек измеряемого материала рекомендуется продувать воздух через щель резонатора. Однако полностью удалить их из нижней части невозможно, поэтому они частично скапливаются на поверхности нижнего торца резонатора. Эти частички, практически не влияя на резонансную частоту колебания типа Н₀₁₁, сильно изменяют резонансную частоту колебания типа Е₁₁₁, так как на торцевой поверхности резонатора данное колебание имеет максимальное значение нормальной составляющей электрического поля. В результате изменяется величина разности между резонансными значениями колебаний типа Н₀₁₁ и типа Е₁₁₁, что фиксируется как изменение влажности измеряемого материала, а это вызывает дополнительную погрешность измерения влажности материала.

Когда щель разделяет резонатор на равные симметричные части и измеряемый материал находится в максимуме электрического поля колебания типа Н₀₁₁ , произвольное положение материала по высоте щели слабо влияет на изменение резонансной частоты этого колебания и не вызывает дополнительной погрешности при измерении влажности материала. При несимметричном расположении щели в резонаторе, когда напряженность электрического поля колебания типа Н₀₁₁ изменяется по высоте щели, произвольное положение материала в процессе движения приводит к изменению резонансной частоты колебания типа Н₀₁₁, что вносит дополнительную погрешность при измерении влажности материала. При установке в резонатор относительно толстых материалов, например картон или сукно, имеющих высокое значение влажности, величина затухания, вносимого таким материалом в резонатор, будет большой даже при расположении материала на нижней торцевой поверхности резонатора, когда взаимодействие материала с колебанием типа Н₀₁₁ минимально. При этом сильно ухудшается добротность колебания Н₀₁₁, в результате чего регистрация его и достоверное определение резонансной частоты этого колебания становится затруднительным, что существенно снижает точность измерения влажности таких материалов и ограничивает диапазон измеряемых значений влажности небольшими величинами.

Устройство не может быть использовано для определения профилограмм влажности материалов, так как даже малые смещения осей половинок резонатора, возникающие при их взаимном перемещении, вызывают значительные и различные по величине изменения резонансных частот колебаний типа Н₀₁₁ и типа Е₁₁₁. В этом устройстве не предусматривается никаких мер, устраняющих или уменьшающих данное изменение резонансных частот.

Целью изобретения является повышение точности измерения влажности материалов, расширения функциональных возможностей и диапазона измерения влажности материалов. Технический результат заключается в однозначной фиксации измеряемого материала в щели резонатора, устранении влияния небольших осевых смещений частей резонатора, возникающих при движении резонатора и материала на резонансную частоту колебания типа Н₀₁₁ и существенном расширении диапазона изменения величины связи измеряемого материала с колебанием типа Н₀₁₁.

Для этого в устройстве для измерения влажности листовых диэлектрических материалов, содержащем опорный резонатор и измерительный резонатор с возбуждением колебания типа Н₀₁₁, разделенный щелью на верхнюю и нижнюю цилиндрические части, нижняя часть резонатора соединена с верхней его частью с помощью самоцентрирующегося магнитного подвеса, обеспечивающего постоянство усилия натяжения измеряемого материала и образованного двумя намагниченными по оси постоянными кольцевыми магнитами, соосно закрепленными на верхней и нижней его частях, при этом высота цилиндрической полости нижней части не превышает четверти резонансной длины волны колебания типа Н₀₁₁, а диаметр этой полости больше диаметра цилиндрической полости верхней части резонатора, в которой над плоскостью соединения его частей установлена металлическая втулка, внешний диаметр которой равен внутреннему диаметру резонатора, а внутренний диаметр является запредельным для резонансной частоты колебания типа Н₀₁₁, причем внутренняя площадь отверстия втулки разбита тонкими металлическими полосками на равные сектора, число которых не менее шести, при этом высота этих полосок равна высоте втулки.

Для достижения указанных технических результатов необходимо, чтобы устройство позволяло автоматически изменять высоту щели между частями резонатора в соответствии с толщиной измеряемого материала, сохраняя при этом постоянство усилия его натяжения, что в предлагаемом устройстве достигается за счет магнитных сил взаимодействия между постоянными кольцевыми магнитами. Для устранения влияния отражений волны Н₀₁₁ от боковой цилиндрической поверхности резонансной полости нижней подвижной части резонатора на резонансную частоту колебания типа Н₀₁₁ выбираются определенные размеры указанной полости резонатора, а для значительного уменьшения величины связи измеряемого материала с колебанием типа Н₀₁₁между резонансным объемом и измеряемым материалом устанавливается отрезок запредельного волновода специальной формы.

На фиг. 1 приведено устройство для измерения влажности листовых диэлектрических материалов; на фиг. 2 - кольцевые постоянные магниты и одна из возможных конфигураций их намагничивания; на фиг. 3 - металлическое кольцо.

Предлагаемое устройство для измерения влажности материалов имеет корпус 1, в котором установлены прямоугольные волноводы 2 и 3, разделенные металлической пластиной 4. Размер а соответствует широкой стенке волновода. В верхней части корпуса 1 выполнен объемный опорный резонатор 5 диаметром Ф₁ и высотой h₁, в которой через отверстие 6 возбуждается колебание типа Н₀₁₁. Это колебание является опорным при измерении влажности материала 7. На нижней части корпуса 1 подвижно закреплена гайка 8, с помощью которой можно регулировать по высоте положение втулки 9, на которой неподвижно и соосно закреплен намагниченный по оси постоянный магнит в форме кольца 10. Корпус 1 вместе с втулкой 9, магнитом 10, кольцом 11 и волноводами 3 и 2 образует первую цилиндрическую полость 18 измерительного резонатора. Вторая цилиндрическая полость 14 образована цилиндрическим основанием 12, выполненным из алюминия, диском 13 и намагниченным по оси постоянным магнитом в форме кольца 15, соосно закрепленным на основании 12 с помощью гайки 16. В верхней части основания 12 имеется кольцевая канавка, в которую вставлено сменное скругленное сверху кольцо 17, выполненное из диэлектрического антифрикционного материала. Первая цилиндрическая полость 18 измерительного резонатора и вторая цилиндрическая полость 14 измерительного резонатора образуют резонансный объем, в котором через отверстие 19 возбуждается колебание типа Н₀₁₁. Диаметры всех отверстий связи 6, 19, 20 и 21 одинаковые. Диэлектрические диски 22 и 23, установленные на торцевых поверхностях опорного и измерительного резонаторов и выполненные и фторопласта, снимают вырождение между колебаниями типа Н₀₁₁ и типа Е₁₁₁.

Путем изменения высоты h₄ кольца 11 можно регулировать высоту измерительного резонатора h₂ или h₂^I, устанавливать ее значение равным величине диаметра Ф₁. Значение высоты опорного резонатора h₁ немного меньше величины h₂(h₂^I) и устанавливается таким, чтобы величина резонансной частоты опорного колебания типа Н₀₁₁ была бы на 30-40 МГц больше значения резонансной частоты колебания типа Н₀₁₁ измерительного резонатора. Расстояние l от оси резонаторов до осей отверстий связи 6, 21, 19 и 22 выбирается равным Ф₁/4. Вторая цилиндрическая полость 14 измерительного резонатора при указанном на фиг. 1 расположении полюсов кольцевых постоянных магнитов 10 и 15 притягивается к первой цилиндрической полости 18, между которыми размещается измеряемый материал 7. В результате повышается точность измерения влажности за счет однозначной фиксации измеряемого материала в щели резонатора, которая обеспечивается автоматическим изменением высоты щели между полостями измерительного резонатора в соответствии с толщиной измеряемого материала, сохраняя при этом постоянство усилия его натяжения. При перемещении верхней части устройства или измеряемого материала нижняя подвижная его часть совершает небольшие (амплитудой порядка 1-2 мм), радиальные колебательные движения относительно положения равновесия, которое обусловлено действием радиальной составляющей магнитной силы, направленной к оси верхней части резонатора. При этом вторая цилиндрическая полость 14 измерительного резонатора самоцентрируется относительно первой цилиндрической полости 18 резонатора.

Небольшие изменения толщины материала практически не изменяют усилия прижатия частей резонатора к измеряемому материалу, чем обеспечивается постоянное натяжение материала. Последнее обстоятельство, учитывая малую инерционность нижней части измерительного резонатора, выполненной из алюминия, обеспечивает фактически постоянную величину натяжения измеряемого материала даже при очень высокой скорости его перемещения. Путем изменения высоты шайбы 25 можно в широких пределах регулировать усилие прижатия частей резонатора, изменяя при этом усилие натяжения измеряемого материала. Для уменьшения в несколько раз амплитуды колебательных движений нижней части резонатора используется более сложное многополюсное намагничивание кольцевых постоянных магнитов, показанное на фиг. 2. При изменении усилия прижатия частей резонатора путем изменения высоты шайбы 25 амплитуда радиальных колебаний второй цилиндрической полости 14 измерительного резонатора остается практически постоянной величиной, определяемой видом намагничивания магнитов (количеством полюсов намагничивания). Величина зазора между измеряемым материалом и торцевой поверхностью 24 нижней части резонатора составляет 0,2-0,5 мм.

Указанные радиальные колебания второй цилиндрической полости 14, возникающие при движении материала первой цилиндрической полости 18 или их совместном движении, не влияют на значения резонансной частоты и затухания колебания типа Н₀₁₁ измерительного резонатора. Данный технический результат достигается за счет устранения влияния боковых цилиндрических стенок резонансной полости нижней части измерительной резонатора, для чего высота второй цилиндрической полости 14 не превышает четверти резонансной длины волны колебания типа Н₀₁₁, а диаметр этой полости больше диаметра первой цилиндрической полости 18. В части второй цилиндрической полости 14, расположенной за диаметром Ф₁, колебание типа Н₀₁₁ возбуждает затухающую волну Н₀₁ с постоянной затухания = . При условии b - 3,46 . При указанном условии волна Н₀₁ сильно затухает в цилиндрической полости 14 за диаметром Ф₁ и при условии 5 волна Н₀₁ практически полностью затухает и ее отражение от цилиндрической поверхности диаметром Ф₂ отсутствует. Этим и объясняется постоянство резонансной частоты колебания типа Н₀₁₁. Значение высоты второй цилиндрической полости 14 ограничено величиной, не превышающей четверти длины волны колебания типа Н₀₁₁ и обусловлено тем, что при больших ее значениях, как установлено экспериментально, наблюдается изменение резонансной частоты и амплитуды колебания типа Н₀₁₁ при небольших перекосах осей полостей измерительного резонатора, обусловленных различными дефектами (утолщениями) измерительного материала. Величина равна 5 определена экспериментально, при этом изменение резонансной частоты колебания типа Н₀₁₁ при несоосности частей резонатора равной 2 мм не превышает в 3-сантиметровом диапазоне длин волн 0,2 МГц.

Экспериментально также определено, что для обеспечения равноточных измерений различных значений влажности материалов необходимо, чтобы величина затухания, вносимого материалом в измерительный резонатор, не превышала 2d_o, где d_o - значение затухания колебания типа Н₀₁₁, обычно находящееся в пределах (3--10)10^-5. При этом резонансное значение амплитуды колебания типа Н₀₁₁ измерительного резонатора уменьшается при помещении в щель материала не более чем в 10 раз. Путем изменения высоты h₃ диска 13 можно регулировать величину затухания, вносимого в резонатор измеряемым материалом.

Оценить данную величину можно по известной формуле (1)

d_x= (w)2 - cos (2+t) sin t (1) где d_x - затухание, обусловленное измеряемым материалом;

(w) - величина диэлектрических потерь измеряемого материала;

t - толщина измеряемого материала;

h₂ - высота измерительного резонатора, обычно равная значению Ф₁;

= b - t - значение высоты внутренней цилиндрической полости 14.

При неизвестном значении (w) соотношение d_x2d_o может быть получено путем экспериментального подбора высоты h₃ диска 13. Однако при измерении влажности относительно толстых материалов (например картон, сукно, ткани при больших значениях их влажности), вносимое ими затухание значительно превышает величину равную 2d_o даже в том случае, если высота h₃ диска 13 выбрана такой, при которой = 0, и величина связи измеряемого материала с колебанием типа Н₀₁₁ минимальная.

Для расширения диапазона измерения влажности материалов необходимо существенно расширить диапазон изменения величины связи измеряемого материала с колебанием типа Н₀₁₁, что может быть достигнуто путем установки металлической втулки 26 в первой цилиндрической полости 18 измерительного резонатора над плоскостью соединения его полостей, внешний диаметр которой равен внутреннему диаметру Ф₁, а внутренний диаметр Ф₃ является запредельным для резонансной частоты колебания типа Н₀₁₁, причем внутренняя площадь отверстия втулки разделена тонкими металлическими ребрами 27, высота которых равна высоте металлической втулки, на равные сектора, число которых не менее шести. Условие запредельности внутреннего диаметра Ф₃ втулки 26 для колебания типа Н₀₁определяется из известного выражения

₃< (2)

При этом величина затухания вносимого измеряемым материалом может быть определена из выражения

_{- cos (2+t) sin} (3) где h₂ - высота измерительного резонатора обычно равная величине Ф₁:

_x= - постоянная затухания волны Н₀₁;

Ф₃ - значение внутреннего диаметра втулки 26;

h₅ - значение высоты втулки 26;

_о - длина волны колебания типа Н₀₁₁.

Наличие множителя e^-2 x ^h5, обусловленного экспоненциальным уменьшением величины поля на длине h₅, позволяет всегда выполнить условие d_x2d_o либо за счет изменения значения Ф₃, либо за счет изменения величины h₅. Однако необходимо отметить, что уравнение (3) однозначно определяет величину затухания d_x^I только в том случае, когда связь между колебанием типа Н₀₁₁ и измеряемым образцом осуществляется только через затухающую волну Н₀₁.

Однако колебание типа Н₀₁ не является низшим типом для цилиндрического участка диаметром Ф₃ металлической втулки 26. В нем могут существовать колебания низших типов: Н₂₁; Е₀₁; Н₁₁, которые имеют меньшее значение постоянной затухания - _x или могут быть даже распространяющимися волнами. В этом случае связь между измеряемым материалом и колебанием типа Н₀₁₁ может осуществляться через эти менее затухающие или даже распространяющиеся типы волн. Это может иметь место при любом нарушении симметрии расположения втулки 26 в полости измерительного резонатора. При этом под действием любых дестабилизирующих факторов связь между измеряемым материалом и колебанием типа Н₀₁₁ становится неустойчивой, что приводит к дополнительной погрешности при измерении влажности материалов. С целью устранения этого недостатка внутри втулки 26 установлены тонкие металлические ребра 27 (см. фиг. 3), которые разделяют внутреннюю площадь отверстия металлической втулки на равные сектора. Высота этих ребер равна высоте металлической втулки 26. Для каждого сектора при n = 0 его собственное число 8 совпадает с собственным числом волны типа Н₀₁соответствующего полого волновода. Если количество секторов больше или равно шести, то колебание Н₀₁ становится низшим типом такого устройства, в результате чего при условии (2) оно будет затухающим колебанием с минимальным значением постоянной затухания. В связи с тем, что все остальные типы волн такого устройства имеют значительно большую величину затухания, связь измеряемого материала с колебанием типа Н₀₁₁осуществляется точно в соответствии с вы- ражением (3) и никакие дестабилизирующие факторы, вызывающие нарушение симметричного положения металлической втулки 26 в измерительном резонаторе, не влияют на величину этой связи.

Фиксированное положение измеряемого материала в щели измерительного резонатора однозначно определяет величину взаимодействия материала с колебанием типа Н₀₁₁ измерительного резонатора, в результате чего по сравнению с прототипом повышается точность измерения влажности материалов. Возможность в широких пределах, с высокой точностью и постоянством регулировать величину связи измеряемого материала с колебанием типа Н₀₁₁ измерительного резонатора позволяет организовать равноточные измерения влажности как тонких материалов с малым значением влажности, так и относительно толстых материалов с высоким значением влажности. Это обеспечивает значительное по сравнению с прототипом расширение диапазона измерения влажности материалов.

Наличие самоцентрирующегося магнитного подвеса второй цилиндрической полости измерительного резонатора, обеспечивающего его синхронное перемещение в соответствии с перемещением первой цилиндрической полости 18 измерительного резонатора и принятие специальных мер, обеспечивающих нечувствительность результатов измерения влажности материалов от небольших отклонений от соосности частей резонатора, возникающих при его сканировании по полотну, позволяет с помощью предлагаемого устройства легко реализовать измерение профилограмм влажности материалов. При этом механизм, обеспечивающий сканирование измерительного резонатора поперек материала, может быть значительно проще всех известных аналогичных механизмов.

Предлагаемое устройство позволяет реализовать измерение влажности материалов путем измерения изменения резонансной частоты колебания типа Н₀₁₁, обусловленного введением в измерительный резонатор контролируемого материала. При этом определение указанного изменения осуществляется относительно резонансной частоты колебания типа Н₀₁ опорного резонатора так, как это реализовано в прототипе. Ввиду отсутствия неконтролируемого излучения из щели, так как высота щели практически равна толщине измеряемого материала, можно реализовать точные измерения влажности материалов путем измерения изменения резонансного значения амплитуды колебаний типа Н₀₁₁ измерительного резонатора, обусловленного введением материала, или реализовать адсорбционный тип СВЧ-влагомера. При этом определение указанного изменения может быть осуществлено относительно резонансного значения амплитуды колебаний типа Н₀₁₁ опорного резонатора.

Поддержание равенства значения высоты измерительного резонатора h₂или h₁ величине диаметра Ф₁ обеспечивает проведение всех измерений на частоте, очень близкой к частоте объемного измерительного резонатора. В результате коэффициенты связи (добротности связи) измерительного и опорного резонаторов с линиями передачи 2 и 3 (при одинаковых диаметрах отверстий 6, 21, 19 и 22) будут одинаковыми, что существенно упрощает расчетные соотношения, связывающие изменение амплитуды колебаний типа Н₀₁ со значением влажности измеряемого материала. Так как предлагаемое устройство позволяет реализовать измерение влажности материалов двумя описанными способами, то на его основе можно реализовать измерение влажности материалов, свободное от влияния толщины измеряемого материала и его плотности.

Конструкция предлагаемого устройства для измерения влажности листовых диэлектрических материалов реализована в 3-сантиметровом диапазоне длин волн. При Ф₁ = = 42,16 мм; h₁ = 42 мм и толщине фторопластовых дисков 3,0 мм значение резонансной частоты колебания типа Н₀₁₁ измерительного резонатора равно 9360 МГц. Высота h₂ резонансной полости объемного опорного резонатора равна 41,0 мм, при этом резонансная частота колебания типа Н₀₁₁ 9390 МГц. Нагруженная добротность резонаторов при диаметрах отверстий связи 4,5 мм равна 14000. Постоянные кольцевые магниты выполнены из феррита марки 28СА250 и имеют внутренний диаметр 50,0 мм, а внешний диаметр 86,0 мм. При значении b = 5,6 мм обычная писчая бумага толщиной 0,07 мм и равновесной влажностью 7% вызывает уменьшение резонансной частоты колебаний типа Н₀₁₁ на 4 МГц и уменьшение резонансного значения коэффициента передачи резонатора в 3 раза. Металлическая втулка с внутренним диаметром 26,0 м, высотой 10 мм, разделенная металлическими ребрами на восемь равных секторов, уменьшает величину вносимого материалом затухания в 100 раз. При этом смещение оси металлического кольца относительно оси измерительного резонатора на 2 мм не изменяет эту величину.