волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости жидких сред по критической длине волны

Классы МПК:G01N22/04 определение влагосодержания
G01R27/26 для измерения индуктивности и(или) емкости; для измерения добротности, например резонансным способом; для измерения коэффициента потерь; для измерения диэлектрических постоянных 
Автор(ы):
Патентообладатель(и):Тамбовское высшее военное авиационное инженерное училище радиоэлектроники (военный институт) (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2006-02-28
публикация патента:

Изобретение относится к способам измерения диэлектрической проницаемости и удельной проводимости жидких дисперсных систем и может быть использовано для контроля и регулирования величин диэлектрической проницаемости и удельной проводимости пожаро-взрывоопасных и агрессивных жидких сред в процессе их производства в химической и других областях промышленности. Техническим результатом является повышение точности измерения диэлектрической проницаемости диэлектрических гетерогенных жидких сред по моменту изменения режима работы линии передачи и отсутствия гальванического контакта с измеряемой средой, а также минимизация габаритов и массы измерителя. Указанный технический результат достигается за счет того, что в волноводной линии передачи, с помощью генератора СВЧ на длине волны генератора волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 г, возбуждают основную волну Н 11 и устанавливают в линии передачи режим бегущих волн, изменяют длину волны генератора волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 г до момента отсутствия в волноводной линии передачи бегущей волны и рассчитывают действительную часть диэлектрической проницаемости волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 . 1 ил. волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871

волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871

Формула изобретения

Волноводный СВЧ-способ измерения диэлектрической проницаемости жидких сред по критической длине волны, заключающийся в помещении исследуемого материала в высокочастотное электромагнитное поле и последующей регистрации изменения параметров, характеризующих высокочастотное излучение, отличающийся тем, что в волноводной линии передачи СВЧ-диапазона, состоящей из последовательно соединенных с помощью плавных переходов трех секций круглого металлического волновода различного диаметра, причем крайние секции волновода имеют одинаковый диаметр d1, а средняя - меньшего диаметра d2, с расположенным в ней диэлектрическим сосудом с исследуемой жидкостью, с помощью генератора СВЧ на длине волны генератора волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 г, выбираемой из условия единственности существования основной волны Н11 и отсутствия ближайшей моды E01 в круглом волноводе:

3,14a2>волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 Г>2,61a2 ,

где волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 - радиус средней секции металлического волновода, возбуждают основную волну Н11 и устанавливают в линии передачи режим бегущих волн;

изменяют длину волны генератора волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 г до момента отсутствия в волноводной линии передачи бегущей волны (момента «отсечки») и рассчитывают действительную часть диэлектрической проницаемости волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 по формуле

волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам измерения диэлектрической проницаемости и удельной проводимости жидких дисперсных систем и может быть использовано для контроля и регулирования величин диэлектрической проницаемости и удельной проводимости пожаро-взрывоопасных и агрессивных жидких сред в процессе их производства в химической и других областях промышленности.

Известен способ определения диэлектрической проницаемости для исследования жидкостей с большим поглощением [W.A.Heston, E.J.Henellv, C.P.Smyth, Абсорбция СВЧ и молекулярная структура жидкостей, Journ. Amer. Chem. Soc., 1948, 70, N 12, 4093-4097], включающий помещение жидкости в секцию волновода, отделенную от воздушной части измерительной установки тонкой слюдяной пластинкой. В жидкость помещен свободно перемещающийся поршень, которым устанавливают высоту столба жидкости. В непосредственной близости к слюдяной перегородке расположен направленный ответвитель, регистрирующий отраженную волну. Путем перемещения поршня от слюдяной пластинки вверх индикатором регистрируют минимумы и максимумы отраженной волны. Максимальные показания соответствуют толщине слоя жидкости, когда отраженные волны от верхней и нижней его поверхности совпадают по фазе. Далее регистрируют высоту столба жидкости, когда амплитуда осцилляции отраженной волны пропадает, стремясь к некоторому постоянному значению, и определяют величину диэлектрической проницаемости.

Недостатками способа является непосредственное помещение жидкости в полость волновода (гальванический контакт), малая точность и технологические трудности измерения величины диэлектрической проницаемости, невозможность исследования жидкостей с малыми потерями.

Известен также способ измерения величины диэлектрической проницаемости волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 , основанный на распространении волны вдоль диэлектрического стержня [С.М.Mckinney, D.M.Duff, Метод измерения диэлектрической постоянной твердых тел на СВЧ, Rev. Sci. Instr., 1954, 25, N 9б 925-926]. В диэлектрическом стержне, на конце которого расположен металлический экран, возбуждается медленная поверхностная волна. Устанавливается режим стоячих волн и индикатором вдоль диэлектрического волновода определяется длина волны в нем. По соотношению длин волн генератора и диэлектрического волновода определяется величина диэлектрической проницаемости жидкости.

Недостатками метода является высокая погрешность измерений из-за трудно учитываемого излучения, отсутствие возможности измерения диэлектрической проницаемости волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 жидких сред, а также не учитываются потери при измерении величины волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 .

Известен СВЧ способ бесконтактного определения диэлектрической проницаемости и удельной электропроводности жидких сред [Патент РФ №2194270, МКл.6 G01N 22/04, опубл. 10.12.02., бюл №34], заключающийся в создании режима бегущих волн вдоль волновода поверхностных волн в виде круглого диэлектрического трубопровода, заполненного исследуемой проточной немагнитной жидкостью, обладающей диэлектрической проницаемостью волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 и удельной проводимостью волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 , измеряют затухание поля поверхностной медленной волны в нормальной и горизонтальной плоскостях относительно направления ее распространения и по рассчитанным значениям коэффициентов затухания поля в нормальной плоскости судят о величине диэлектрической проницаемости волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 , а по коэффициенту затухания поля вдоль направления распространения волны судят о величине удельной проводимости волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 .

Недостатками данного способа являются низкая точность определения диэлектрической проницаемости (действительной ее части) из-за трудно учитываемых потерь во внешнем электромагнитном поле, отсутствие электромагнитного экрана.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности измерения диэлектрической проницаемости диэлектрических гетерогенных жидких сред по моменту изменения режима работы линии передачи и отсутствия гальванического контакта с измеряемой средой, а также минимизация габаритов и массы измерителя.

Сущность волноводного СВЧ способа измерения диэлектрической проницаемости жидких сред по критической длине волны состоит в том, что в волноводной линии передачи СВЧ диапазона, состоящей из последовательно соединенных с помощью плавных переходов трех секций круглого металлического волновода различного диаметра, причем крайние секции волновода имеют одинаковый диаметр d1, а средняя - меньшего диаметра d2, с расположенным в ней диэлектрическим сосудом с исследуемой жидкостью, с помощью генератора СВЧ на длине волны генератора волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 г, выбираемой из условия единственности существования основной волны Н11 и отсутствия ближайшей моды E01 в круглом волноводе, т.е

3,41a2>волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 г>2,61а2 ,

где волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 - радиус средней секции металлического волновода,

возбуждают основную волну Н11 и устанавливают в линии передачи режим бегущих волн;

изменяют длину волны генератора волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 г до момента отсутствия в волноводной линии передачи бегущей волны (момента «отсечки») и рассчитывают действительную часть диэлектрической проницаемости волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 по формуле

волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871

Сущность СВЧ способа измерения диэлектрической проницаемости по критической длине волны поясняется следующим.

На чертеже показана схема реализации волноводного СВЧ способа измерения диэлектрической проницаемости жидких сред по критической длине волны. Схема включает в себя волноводную линию передачи 1, состоящую из последовательно соединенных с помощью плавных переходов 2 трех секций круглого металлического волновода различного диаметра, причем крайние секции волновода имеют одинаковый диаметр d 1, а средняя - меньшего диаметра d2 , диэлектрический сосуд 3 с исследуемой жидкостью с диэлектрической проницаемостью волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 и магнитной проницаемостью волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 =1, устройств ввода 4 и вывода 5 жидкости, приемных вибраторов 6 B1 и В2, расположенных вдоль волноводной линии передачи на расстоянии волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 Z перед диэлектрическим сосудом с исследуемой жидкостью и после него.

Способ осуществляется следующим образом. В волноводной линии передачи, состоящей из последовательно соединенных с помощью плавных переходов трех секций круглого металлического волновода различного диаметра с помощью генератора СВЧ на длине волны генератора волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 г, выбираемой из условия единственности существования основной волны H11 и отсутствия ближайшей моды E01:

3,41а 2>волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 г>2,61а2 ,

где волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 - радиус средней секции металлического волновода,

возбуждают основную волну Н11 и устанавливают в линии передачи режим бегущих волн.

Условие распространения любой моды в круглом металлическом волноводе радиусом "а" [Марков Г.Т. и др. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Сов. Радио, 1979] следующее:

волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 г<волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 кр,

волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 или волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871

где Хmn и волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 mn - n-й корень функции Бесселя или ее производной соответственно для волн электрического (Е-волны) или магнитного (Н-волны) типа. В круглом металлическом волноводе основной волной является волна Н11, для основной моды Н11: волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 и «ближайшей» моды E01: волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 .

Очевидно, что для частично заполненного волновода критическая длина волны будет зависеть не только от геометрических параметров волноводной системы и порядка моды, но и от электрофизических свойств материала, заполняющего волновод, таких как диэлектрическая и магнитная проницаемости (их действительная часть):

волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871

где волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 и волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 - средние параметры по зоне взаимодействия, которые определяются методом эквивалентных реактивностей [Федюнин, П.А. СВЧ методы и устройства измерения электрофизических параметров жидких диэлектриков с потерями: Дис. ... канд. техн. наук. М.: МГУИЭ, 1997. - 230 с.].

Для основной моды Н11 возможен выбор радиуса "а" для реализации одномодового режима без высших мод («ближайшей» высшей модой является мода E 01), например, при условии волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 :

волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871

3,41a>волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 г>2,61a

или в общем случае:

волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871

Волноводная линия передачи на базе круглого металлического волновода радиусом a1 имеет согласованную с основной линией передачи вставку в виде круглого металлического волновода меньшего радиуса a2.

В секции волновода диаметром d2 расположен диэлектрический сосуд с исследуемой жидкостью с диэлектрической проницаемостью волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 и магнитной проницаемостью волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 =1.

Толщина стенок волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 диэлектрического сосуда значительно меньше его радиуса и имеет постоянные значения, тогда становится практически несущественным отношение величины диэлектрической проницаемости жидкости волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 к диэлектрической проницаемости диэлектрического материала волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 д, из которого изготовлен трубопровод, - волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 /волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 д. Сосуд изготавливается из радиопрозрачного материала (волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 дволноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 1), поэтому влиянием сосуда можно пренебречь.

Величина диэлектрической проницаемости жидкости практически лежит в пределах 2...15 для разных случаев. Для согласования с полем бегущей электромагнитной волны торцевые стенки диэлектрического сосуда имеют конусообразную форму.

Жидкость в диэлектрический сосуд вводится с помощью устройства ввода жидкости 4 и выводится с помощью устройства вывода жидкости 5.

С помощью приемных вибраторов 6 - B 1 и В2, расположенных в секциях круглом металлическом волноводе диаметром d1 на расстоянии волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 Z перед диэлектрическим сосудом и после него, измеряют напряженности электрического поля в волноводной линии передачи перед волноводной вставкой с исследуемой жидкостью - Е 1 и после нее - Е2.

Известно, что затухания в металлическом волноводе, вызванные потерей энергии волны в диэлектрике, заполняющем волновод, пропорциональны омическим потерям волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 ом [Федоров Н.Н. Основы электродинамики. - М.: Высшая школа, 1980, с.399], по величине которых можно определить мнимую часть диэлектрической проницаемости.

Таким образом, по значениям напряженностей электрического поля Е 1 и Е2 вычисляют значение коэффициента затухания поля вдоль волноводной линии передачи - волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 Z:

волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871

и определяют мнимую часть диэлектрической проницаемости волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 из формулы:

волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871

где k - коэффициент пропорциональности.

Изменяют (увеличивают) длину волны генератора волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 г до момента отсутствия в волноводной линии передачи бегущей волны.

Условия отсутствия сквозной бегущей волны в волноводе следующие:

3,41a 1>волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 г>2,61а1 ;

волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871

где волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 - радиус крайней секции металлического волновода.

Рассчитывают действительную часть диэлектрической проницаемости волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871 по формуле:

волноводный свч-способ измерения диэлектрической проницаемости   жидких сред по критической длине волны, патент № 2331871

Предложенный способ позволяет повысить точность измерения диэлектрической проницаемости диэлектрических гетерогенных жидких сред по моменту изменения режима работы линии передачи и отсутствия гальванического контакта с измеряемой средой, а также позволяет минимизировать габариты и массу измерителя.

Способ может быть осуществлен известными техническими средствами.

Класс G01N22/04 определение влагосодержания

устройство для измерения свойства диэлектрического материала -  патент 2528130 (10.09.2014)
способ измерения комплексной диэлектрической проницаемости жидких и сыпучих веществ -  патент 2509315 (10.03.2014)
способ определения сплошности потока жидкости в трубопроводе -  патент 2483296 (27.05.2013)
способ определения влагосодержания вещества -  патент 2468358 (27.11.2012)
радиофизический способ определения содержания физической глины в почвах -  патент 2467314 (20.11.2012)
свч-способ определения осажденной влаги в жидких углеводородах -  патент 2451929 (27.05.2012)
свч-способ определения влажности жидких углеводородов и топлив -  патент 2451928 (27.05.2012)
способ измерения влажности зерна зерновых сельскохозяйственных культур -  патент 2438117 (27.12.2011)
устройство для измерения влажности почвы -  патент 2433393 (10.11.2011)
дистанционный радиофизический способ определения физической глины в почвах -  патент 2411505 (10.02.2011)

Класс G01R27/26 для измерения индуктивности и(или) емкости; для измерения добротности, например резонансным способом; для измерения коэффициента потерь; для измерения диэлектрических постоянных 

резонансное устройство для ближнеполевого свч-контроля параметров материалов -  патент 2529417 (27.09.2014)
устройство для измерения свойства диэлектрического материала -  патент 2528130 (10.09.2014)
микроконтроллерный измерительный преобразователь с уравновешиванием резистивного моста уитстона методом широтно-импульсной модуляции -  патент 2515309 (10.05.2014)
способ измерения комплексной диэлектрической проницаемости жидких и сыпучих веществ -  патент 2509315 (10.03.2014)
микроконтроллерный измерительный преобразователь сопротивления в двоичный код с генератором, управляемым напряжением -  патент 2502076 (20.12.2013)
способ определения коэффициента потерь tg диэлектриков -  патент 2501028 (10.12.2013)
микроконтроллерное устройство диагностики межвитковой изоляции обмотки электродвигателя по эдс самоиндукции -  патент 2498327 (10.11.2013)
способ определения сопротивления и индуктивности рассеяния первичной обмотки трансформатора напряжения -  патент 2491559 (27.08.2013)
сканирующий измеритель параметров cg-двухполюсников -  патент 2488130 (20.07.2013)
способ и устройство для емкостного обнаружения объектов -  патент 2486530 (27.06.2013)
Наверх