UA4983U - Квазіоптичний діелектрометр - Google Patents

Abstract

Квазіоптичний діелектрометр містить вимірювальний діелектричний резонатор у вигляді диска з радіальною щілиною, надвисокочастотний генератор для збудження хвиль типу шепочучої галереї та приймач, відбивач у вигляді пластини.

Description

Корисна модель, що пропонується, відноситься до вимірювальної техніки надвисоких частот (НВУ) в галузі мікрохвильової техніки для визначення комплексної діелектричної проникності та може знайти застосування у таких галузях народного господарства, де діелектрична проникність твердих, порошкоподібних та рідких речовин або розчинів обумовлює їх якість, чи можливість використання у різноманітних пристроях.

Знання дійсної єї та уявної є" частин діелектричної проникності є-є' іє" досліджуваної речовини дає можливість визначити габаритні розміри розроблюваних пристроїв, прогнозувати їх чутливість та частотний діапазон використання. Важливим параметром діелектрометра є об'єм речовини необхідний для вимірювання дійсної та уявної частин діелектричної проникності, а також для визначення динаміки вказаних величин в залежності від частоти, тиску, температури або зміни властивостей досліджуваної речовини, наприклад, при дослідженні потоку рідини чи сипучої речовини. Мінімальна кількість необхідної для дослідження речовини може бути вагомим фактором в біологічних та медичних дослідженнях.

Відомо, що для дослідження матеріалів з діелектричною проникністю є/-1-100 та тангенсом діелектричних втрат дб-(є"/є)с107 у діапазоні частот 20-300ГГц доцільно використовувати в діелектрометрах вимірювальний діелектричний резонатор з азимутальними коливаннями (Дизлектрические резонаторь /М.Е. Ильченко, В.Ф.

Взятьішев, Л.Г. Гассанов и др.; Под ред. М.Е. Яльченко. - М.: Радио и связь, 1989. - 328с.) Вибір матеріалу для виготовлення вимірювального діелектричного резонатора залежить від величин є та є" матеріалу, що досліджується. Якщо досліджуються речовини з малими втратами щ4о-103 та діелектричними проникностями 5210, то й матеріал для виготовлення вимірювальне резонатора доцільно вибрати з подібними характеристиками: наприклад, діелектричній дисковий резонатор з лейкосапфіру забезпечує похибку при вимірюванні є-0,0590, а де-195. Високі точності в таких резонаторах обумовлені їх високою власною добротністю

Оо в міліметровому діапазоні хвиль (Оо-105 при кімнатній температурі та Оо-108-109 при температурі рідкого гелію). Недоліками цього матеріалу є анізотропія діелектричної проникності лейкосапфіру (єП-11,6; є! -9,6;), що необхідно брати до уваги в прецизійних вимірюваннях, а також труднощі при обробці цього матеріалу, його твердість дорівнює 9, а питома вага - 4, тому обробку проводять алмазними інструментами.

Відомий діелектричний резонатор, який дозволяє вимірювати діелектричну проникність рідин, газів та сипучих матеріалів з малими втратами (Ас. СССР Ме1107072. МКИЗ СО1В827/26; 2О1К7/10, 1984), який виготовлено у вигляді циліндра із високодобротного діелектрика з осьовим отвором, кільцевими канавками по боковій поверхні, з'єднаними з осьовим отвором радіальними проходами. Недоліками цього пристрою є відносна складність резонатора, велика кількість рідини або газу для повного занурення резонатора в досліджувану речовину, розміри резонатора повинні задовольняти певним умовам, що пов'язують радіус резонатора з довжиною хвилі та діелектричними проникностями матеріалу резонатора та досліджуваної речовини. Діелектрична проникність речовини має бути меншою від проникності матеріалу резонатора.

Відомий пристрій для вимірювання параметрів діелектричних матеріалів (Ас. СССР Ме991828, МКИ" сО1827/26, 1985). Цей пристрій має вимірювальний резонатор у вигляді діелектричного диску з вирізом, поєднаного з надвисокочастотним генератором та індикатор. Виріз може бути виконаний у вигляді радіальної щілини або отвору, вісь якого паралельна осі діелектричного диску, окрім цього пристрій має механізм, що змінює ширину радіальної щілини. У вимірювальному діелектричному резонаторі збуджується хвиля типу "шепочучої галереї", котра двократно вироджена по азимутальному індексу. При розміщенні досліджуваного діелектричного матеріалу в щілині знімається виродження власних коливань, яке властиве резонаторам біжучої хвилі. Кожна з резонансних частот вимірювального резонатора розщеплюється на дві стоячі хвилі, одна з них має пучність поперечного (електричного) поля, а друга - вузол того ж поля в місці знаходження нерегулярності. Недоліком цього пристрою є необхідність виготовлення вимірювальних зразків за розмірами щілини або отвору у резонаторі, досить великі розміри зразків, інакше необхідно враховувати повітряні зазори у щілині чи отворі, що знижує точність вимірювання діелектричної проникності. Не можна на цьому пристрої вимірювати дійсну та уявну частини діелектричної проникності рідин, сипучих та газоподібних речовин.

Найбільш близьким за технічною суттю є квазіоптичний діелектрометр (ас. СССР Мо1626136, МКИ»5 со1Мм22/00, 201827/26, 1991), який має діелектричний резонатор у вигляді диску з двома щілинами, виконаними вздовж радіусів, починаючи від бокової поверхні резонатора. У резонаторі за допомогою діелектричного хвилевода збуджується хвиля типу "шепочучої галереї", яка є двократно виродженою по азимуту. Неоднорідність у вигляді щілини, заповненою повітрям, приводить до розщіплення кожного резонансного піка на два. Щілина, яка виконана під кутом О-л/2 відносно першої щілини, компенсує розщіплення, визване першою щілиною з повітряним заповненням, на резонансах з непарним п, де п-2т--1 - число довжин хвиль по периметру резонатора (т:-0, 1, ..). Розміщення досліджуваних матеріалів у одній із щілин приводить до розщеплення резонансів з непарним п, розмір розщеплення при цьому визначається тільки параметрами досліджуваного матеріалу.

Недоліком цього пристрою є неможливість вимірювання діелектричної проникності рідинних, сипучих та газоподібних речовин, матеріалів, які мають товщину більшу за ширину щілини у резонаторі, а також зниження чутливості пов'язаної з розщепленням резонансів.

В основу запропонованого пристрою поставлена задача: удосконалення квазіоптичного діелектрометра шляхом розміщення досліджуваного зразка в області максимуму каустики поля, що забезпечує точність та широкий діапазон вимірювання значень дійсної та уявної частин діелектричної проникності є речовин у різному агрегатному стані.

Поставлена задача розв'язується таким чином: у квазіоптичному діелектрометрі, що містить вимірювальний діелектричний резонатор, виконаний у вигляді диска з радіальною щілиною, поєднаний з надвисокочастотним генератором для збудження хвиль типу шепочучої галереї та приймачем, у радіальній щілині розташовано відбивач у вигляді пластини із провідного матеріалу, а на відстані Хп (де Хп - довжина хвилі шепочучої галереї у резонаторі) від бокової поверхні має місце отвір для розміщення у ньому ємності з досліджуваною речовиною.

Ємність виконана з можливістю переміщення досліджуваної речовини.

Суть корисної моделі пояснюється ілюстраціями: на Фіг.1 зображено схему діелектрометра; на Фіг.2 показано порівняння амплітудно-частотної залежності коливань хвиль шепочучої галереї у діелектричному резонаторі з ємністю, заповненою повітрям або водою; на Фіг.3 показана концентраційна залежність діелектричної проникності етилового спирту у воді, який розташований у отворі ємності, що використовується для дослідження твердих, сипучих, рідинних, або газоподібних речовин.

Запропонований квазіоптичний діелектрометр містить у собі діелектричний вимірювальний резонатор 1 з радіальною щілиною 2, в якій розташовано відбивач у вигляді пластини із провідного матеріалу 3, та отвором 4 для розміщення ємності 5 з досліджуваною речовиною. У ємності 5 виконано отвір 6 для дослідження речовини, як фіксованого об'єму (отвір 6 є глухим), так і для проточної речовини (отвір 6 є крізним). Для збудження хвиль шепочучої галереї у діелектричному резонаторі використовуються дзеркальні хвилеводи 7 з поглинаючим навантаженням 8, які з одного боку з'єднані з генератором 9, а з другого - з приймачем 10. Висоту І резонатора 1 вибрано такою, щоб збуджувалися лише коливання з аксіальним числом 1, це виконується за умови І «Ллп, Де Хлп - довжина хвилі, на якій працює діелектрометр, а радіус вимірювального резонатора Н-Хи/2гпл, де п - число довжин хвиль по периметру резонатора. Центр отвору 4 знаходиться на відстані лп від бокової поверхні резонатора.

Діаметр отвору 6 дорівнює діаметру вимірюваної речовини або ємності 5, в якій знаходиться за п.1, або прокачується за п.2 досліджувана речовина. Для виготовлення резонатора доцільно вибирати матеріал з малими діелектричними втратами (щ4о-103), величина дійсної частини діелектричної проникності (є) може бути довільною, механічні характеристики краще такі, що дозволяють обробку резонатора на механічному верстаті.

Запропонований пристрій працює таким чином: у діелектричному вимірювальному резонаторі 1 з дзеркальними діелектричними хвилеводами 7 збуджуються хвилі шепочучої галереї. Спектр резонансних частот резонатора 1 вимірюється за схемою "на проходження" при слабкому зв'язку. Експериментальне вимірюються частоти (після корегування відбивачем) та добротності коливань, що спостерігаються, визначається їх тип, а потім виміряні частоти та добротності порівнюються з відповідними величинами для резонатора, зразками, виміряними на цьому ж діелектрометрі або порівнюються з теоретично розрахованими.

Запропонований квазіоптичний діелектрометр був виготовлений та випробуваний у діапазоні 37-53ГГЦ, діаметр резонатора дорівнював 78мм, його висота - І -7,2мм, радіальна щілина шириною 5:0,3мм заповнена відбивачем такої ж товщини з електролітичної міді, вимірювальний отвір на відстані 7. від периметра резонатора був співвісний з висотою резонатора та змінним діаметром від 0,5 до 4мм, в залежності від вимірюваної речовини, або розміру ємності з досліджуваною речовиною. Найменший внутрішній діаметр ємності з фторопласту мав розмір О0,3мм, що забезпечувало мінімальну кількість досліджуваної речовини, що досить вагомо для біофізичних та медико-біологічних досліджень.

Квазіоптичний діелектрометр було випробувано на твердих речовинах таких як лейкосапфір; рідинах - вода, етиловий спирт, ацетон; а також, вимірювалася концентраційна залежність спирту у воді, в тому числі, в динамічному стані - при проходженні рідини через ємність розташовану у резонаторі. 2 7 Кк ше?

І Ко ето КТ СО ! КОДИ пи » шище | ше нання щі ' у. с дження я ек денний з СПЕ ин т ' я. естВ рин Нетн ти сте о «Фіг й. 7 7 Я ще п в щі -й п -3Е с. се т гл т М

СУ 2 -у і жу? т З Кс пе в чі Б я Там худ: вх п с я

КІ-Я ЗЕ За ма ся ЗБЕ

ОНЕ

Фіг й

У т в ь ня М т з ше що до не я те тм м сл мм мл; лю о ж

КОН тріг. 3.

Claims (2)

1. Квазіоптичний діелектрометр, що містить вимірювальний діелектричний резонатор, виконаний у вигляді диска з радіальною щілиною, надвисокочастотний генератор для збудження хвиль типу шепочучої галереї та приймач, який відрізняється тим, що у радіальній щілині розташовано відбивач у вигляді пластини із провідного матеріалу, а на відстані Х, (де Х, - довжина хвилі шепочучої галереї у резонаторі) від бокової поверхні резонатора є отвір для розміщення у ньому ємності з досліджуваною речовиною.

2. Квазіоптичний діелектрометр за п.1, який відрізняється тим, що ємність виконана з можливістю переміщення досліджуваної речовини.