устройство для измерения влажности листовых диэлектрических материалов
Классы МПК: | G01N22/04 определение влагосодержания |
Патентообладатель(и): | Носков Юрий Николаевич |
Приоритеты: |
подача заявки:
1991-12-29 публикация патента:
30.04.1994 |
Использование: для измерения влажности различных листовых диэлектрических материалов, например бумаги, картона, сукон, тканей, как в лабораторных, так и в производственных условиях при технологическом контроле влажности, в частности для определения профилограмм влажности сукон. Сущность изобретения: устройство содержит объемный опорный резонатор и объемный измерительный резонатор с возбужденным колебанием типа H011 , разделенный щелью на первую и вторую цилиндрические полости, которые соединены с помощью самоцентрирующегося магнитного подвеса, образованного двумя намагниченными по оси постоянными магнитами, соосно закрепленными на первой и второй цилиндрических полостях измерительного резонатора. Высота второй цилиндрической полости измерительного резонатора не превышает четверти резонансной длины волны колебания типа H011 , а диаметр этой полости больше диаметра первой цилиндрической полости измерительного резонатора. Над плоскостью соединения первой и второй цилиндрических полостей установлена металлическая втулка, внешний диаметр которой равен внутреннему диаметру измерительного резонатора, а внутренний диаметр втулки является запредельным для резонансной частоты колебания типа H011 . Внутренняя площадь отверстия втулки разделена тонкими полосками на равные сектора, число которых не меняется, при этом высота этих полосок равна высоте втулки. 3 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
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 h2I, устанавливать ее значение равным величине диаметра Ф1. Значение высоты опорного резонатора h1 немного меньше величины h2(h2I) 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












dx=













t - толщина измеряемого материала;
h2 - высота измерительного резонатора, обычно равная значению Ф1;








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











Ф3 - значение внутреннего диаметра втулки 26;
h5 - значение высоты втулки 26;








Класс G01N22/04 определение влагосодержания