CC BY
75
УДК 543.275.1 UDC 543.275.1
СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ДАТЧИК MICROWAVE HUMIDITY SENSOR ВЛАЖНОСТИ
Д.А. Полетаев, кандидат ф.-м. наук Polietaiev D.A., Cand. Physic. - Math. Sci.
ТНУ имени В.И.Вернадского Taurida National University named V. I.
Vernadsky dmitry@Qmail. com
Наиболее перспективным методом The most perspective method of material исследования параметров материалов parameters' study is the microwave является метод СВЧ-диагностики. В diagnostics method. The paper suggests a работе предложена численная модель numerical model of the coaxial measuring коаксиального измерительного converter based on the cutoff waveguide for
преобразователя на основе microwave aquametry. A theoretical study
запредельного волновода для СВЧ- of the sensitivity of the resonator converter влагометрии. Проведено теоретическое is conducted for different operating исследование чувствительности wavelengths. key features of the measuring
резонаторного преобразователя для converter based on the cutoff waveguide различных рабочих длин волн. were revealed. Arrangement of humidity Установлены ключевые особенности sensor based on the results of theoretical измерительного преобразователя, research was proposed. Main feature of it is
указанного на основе запредельного compensation of material density influence волновода. На основании результатов on moisture content size. теоретического исследования
предложена компоновка датчика влажности с компенсацией влияния плотности материала на величину влагосодержания.
Ключевые слова: влажность, СВЧ, Keywords: humidity, microwave, sensor, датчик, резонаторный измерительный resonator measuring converter преобразователь
ВВЕДЕНИЕ
Наиболее перспективным методом исследования параметров материалов является метод СВЧ-диагностики [1, 2]. Основным функциональным узлом СВЧ-аппаратуры для диагностики материалов является датчик, который включает источник электромагнитных волн, измерительный преобразователь и устройства выделения информационных сигналов. Наибольшее распространение получили датчики на основе резонаторов [3]. При этом для обеспечения бесконтактности проведения экспресс-измерений электромагнитное поле резонатора зондирует образец через отверстие в одной из стенок. Такой резонаторный измерительный преобразователь (РИП) относится к апертурному типу [3].
В методе СВЧ-влагометрии используется зависимость комплексной диэлектрической проницаемости влагосодержащей среды [2].
Целью работы является изучение электродинамических характеристик СВЧ резонаторного измерительного преобразователя при изменении длины запредельной части, заполненной исследуемым материалом, и частоты и построение датчика влажности на его основе.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Общий вид резонаторного измерительного преобразователя (РИП) с запредельной частью приведен на рис. 1.
1 1 воздух 1 1 ; 1 ь 1 Ъ !
1-1 1 № об Щ;!;^": г ■'.'".¡.(Л^М^. л3 Щ '¿л'1
н V ж щ 1 !
и й и % | 1
+ К2 воздух р
Я? 8Й
Рисунок 1 — РИП с запредельной частью
РИП включает коаксиальный резонатор, высотой н и запредельную часть, общей длиной нг; к - длина запредельной части, содержащая исследуемую пробу с электрофизическими параметрами £,tgS, относительной диэлектрической проницаемостью и тангенсом угла диэлектрических потерь соответственно. Для исключения проникновения исследуемого материала в коаксиальный резонатор последний отделен от запредельной части разделительной вставкой, высотой к, с электрофизическими параметрами: еу= 2; tgSv= 0,001.
Рабочая частота РИП определяется максимумом дисперсии воды [1, 2], а также размером отдельного зерна материала (различают, например, крупно- и мелкодисперсные).
Для обеспечения запредельного режима работы запредельной части с помещённой пробой были выбраны следующие геометрические размеры модели:
1: я2/Л = 0,07; Ях/Я2 = 0,28; н/Л = 2,75; к = 1 мм; Л = 22 см - для крупно-и мелкодисперсных материалов;
2: Я2/Л = 0,07; Ях/Я2 = 0,28; Н/Л = 2,75; к = 1 мм; Л = 3 см - только для мелкодисперсных материалов.
Значения добротности получены из прямого численного решения волнового уравнения, с учетом тепловых потерь в стенках резонатора
(проводимость металла и = 58 • 106 См/м) методом конечных элементов.
Зависимость добротности от Нг (рис. 2,а) рассчитана при воздушном заполнении запредельной части, нагруженной на свободное пространство. Как видно из графика на рис. 2,а, изменение добротности
резонаторного преобразователя практически прекращается при И/Л>0.6 для всех указанных длин волн. Таким образом, с учетом диэлектрического заполнения, длина запредельной части не должна быть меньше 0.6Л.
Чувствительность определялась исходя из изменения добротности для двух образцов: 1)^ = 7;tgS = 0.01 и 2)^ = 7;= 0.012. Графики зависимости добротности и чувствительности от длины запредельной части приведены на рис. 2,6.
п='л ш
а) б)
Рисунок 2. — зависимость добротности от длины запредельной части (а) и чувствительности РИП (б)
Как видно из графиков на рис. 2,б, РИП с запредельной частью обладает высокой добротностью и чувствительностью к изменению параметров материала. Также стоит обратить внимание, что добротность РИП определяется только параметрами пробы и практически не зависит от длины запредельной части И, заполненной исследуемым материалом, при изменении последней от 0.05Л до 0.6Л. Этот факт позволяет упростить проведение практических измерений с применением описанного РИП.
Наибольшая чувствительность достигается при большей длине волны (рис. 2,б). Физически это интерпретируется тем, что СВЧ-поле с меньшей длиной волны глубже проникает в запредельный волновод. Таким образом, для повышения точности измерения параметров мелкодисперсных диэлектриков, следует проводить измерение на большей длине волны.
Результаты теоретических исследований работы положены в основу СВЧ измерителя влажности. Его ключевой особенностью является компенсация влияния плотности сыпучего материала на показания. Датчик влажности (рис. 3) содержит генератор качающейся частоты (ГКЧ) 1, РИП 2 (состоящий из вставки 4, исследуемого материала 5, уплотняющей вставки 6 и пружины 7), петлю возбуждения 3, петлю детектора 8, детектор 9, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 10, микропроцессор 11 и индикатор 12.
Электромагнитное поле РИП взаимодействует с исследуемой пробой материала. Электрофизические параметры изменяют информационные сигналы резонаторного преобразователя. Микропроцессор, подавая сигнал на ГКЧ, качает частоту в диапазоне частот, определяемый размерами РИП и выбранным частотным диапазоном. СВЧ-энергия от ГКЧ, посредством петли возбуждения, возбуждает РИП. Часть энергии поступает на детектор. С детектора сигнал поступает на АЦП. АЦП передает значение сигнала в микропроцессор. Микропроцессор проводит расчет информационных сигналов РИП и передает их для дальнейшей обработки.
Рисунок. 3 — Блок-схема датчика влажности
ЛИТЕРАТУРА:
1. Гордиенко, Ю.Е., Петров, В.В., Полетаев, Д.А. // Радиотехника. 2008. № 154. С. 61.
2. Лисовский, В.В. Теория и практика сверхвысокочастотного контроля влажности сельскохозяйственных материалов. УОБГАТУ. - Мн., 2005.
3. Chen L., Ong С., Neo С. Microwave Electronics Measurement and Materials Characterization. John Wiley & Sons. Southern Gate, 2004.
