Сверхвысокочастотное устройство для измерения влажности

Сверхвысокочастотное устройство для измерения влажности

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СВЕРХВЫСрКОЧАСТОТНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕЕЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ, содержащее последовательно соединенные генератор, аттетоатор/ коаксиальный резонатор с емкостным зазором , детектор, фильтр низкой частоты , усилитель, синхронный детек- . тор, индикатор и генератор низкой частоты, соединенный также с управ . : -J.-4 йЛа г;йдi ляющим входом синхронного детектора , отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия измерений в условиях производства ,. IB него введены формирователь прямоугольных импульсов, фа;зоинвертор и формирователь пилообразных импульсов, в cTSHjcax внешнего проводника резонатора выполнены отверстия связи с установленными в . них n-i-p-i-п-диодами, а в емкостном зазоре резонатора установлен варакторный диод, причём формироBaTeJib прямоугольных импульсов соединен с фазоинвертором, а между подключен формирователь пило ,образных импульсов выход которого соединен с варакторным диодом, сл при этом n-i-p- l-n диоди соединены соответственно с выходами фазоинвёрсг тора и формирователя прямоугольных импульсов, вход которого соединение :выходом генератора низкой частоты.

. СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

,фШ G01 N 22 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМЪГ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 2564645/18/09 (22) 03.01.78 (46) 23.04.83. Бюл. Р 15 е (72) В.A.Ñêðèïíèê, A.Д.Стовбун, A.È.Лавриненко, П.В.Войтеховский, Ю.М.Безбородов, P,Â.Êèñåëåâ и А.В.Лавренко (53) 621.317.39:533.275(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 4374166, кл. 601 N 27/22, 1974.

2." Авторское свидетельство СССР по заявке 9- 2487435/09, кл. 601 Я 23/24, 1973 (прототип) .. (54) (57). СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОЕ УСТРОИСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ со" держащее последовательно соединен- . ные генератор, аттенюатор, коакси альный резонатор с емкостным эазо» ром, детектор, фильтр низкой час- . тоты, усилитель, синхронный детектор, индикатор и генератор низкой частоты, соединенный также с управ»

„.SUÄÄ1013829. A

"ляющим входом синхронного детектора, о т л и ч а ю щ е е с я тем, :что, с целью повышения быстродействия измерений в условиях производства, в него введены формирова» тель прямоугольных импульсов, фа,эоинвертор и формирователь пилообразных импульсов, в стенках внешнего проводника резонатора ваполнены отверстия связи с установленными в них и-1- р-1-п-диодами, а в емкост- . ном зазоре резонатора установлен варакторный диод, причем формирователь прямоугольных импульсов соединен с фаэоинвертором, а между ними. подключен формирователь пило,образных импульсов, выход которо- I го соединен с варакторным диодом, при этом n««i -р-:1-и--диоды соединены соответственно .с выходами фазоинвертора и формирователя прямоугольных импульсов, вход которого соединен .с выходом генератора низкой частоты. Я

1013829

Изобретение относится к сверхвысокочастотной (СВЧ) влагометрии и может быть использовано для контроля влажности различных материалов, например тканей,, бумажного полотна, натуральных и искусственных кож, пленок белковой оболочки для пищевых продуктов и т.п.

Известен СВЧ-влагометр, содержащий коаксиальный датчик-резонатор, открытый со стороны исследуемого материала. Резонатор снабжен возвратно-поступательным механизмом.

При перемещении резонатора с помощью возвратно-поступательного механизма по отношению к исследуемому 15 материалу в какой-то момент частота резонатора совпадает с частотой генератора. Поэтому независимо от начального зазора между датчиком и исследуемым материалом всегда возникает резонанс. Сигнал, снимаемый с резонатора в этот момент явля-. ется максимальным и его величина определяется потерями, вносимыми влажным материалом, которые однозначно связаны со значением влагосодержания. Максимальное значение сигнала,с помощью пикового детектора преобразуется в постоянное напряжение, которое регистрируется выходным прибором (1).

Однако в данном устройстве выходной сигнал СВЧ-влагомера зависит от неконтролируемых в условиях производства колебаний мощности генератора СВЧ, от температурных и других изменений чувствительности СВЧдетектора и звеньев низкочастотного тракта, а также большое время измерения влажности.

Известно также СВЧ-устройство для 40 измерения влажности, содержащее последовательно соединенные генератор, аттенюатор, коаксиальный резонатор с емкостным зазором, детектор, фильтр низкой частоты, усилитель, 45 синхронный детектор, индикатор и генератор низкой частоты, соединенный также с управляющим входом синхронного детектора (2). . Однако известное СВЧ-ycTpoNOTso для измерения влажности характеризуется низким быстродействием измерений в условиях производства, связаниым с наличием в СВЧ-тракте аттенюатора с жесткими требованиями к линейности и стабильности ре«

5 гулировочной характеристики и наличием электромеханического звена.

Цель изобретения — повышение быстродействия измерений в. Услови- 6О ях производства.

Цель достигается .тем, что в

СВЧ-устройство для измерения влажности, содержащее последовательно соединенные генератор, аттенюатор, коаксиальный резонатор с емкостным зазором, детектор, фильтр низкой частоты, усилитель, синхронный детектор, индикатор и генератор низкой частоты, соединенный также с управляющим входом синхронного детектора, введены формирователь прямоугольных импульсов, в стенках внешнего проводника резонатора выполнены отверстия связи с установленными в них n""i-p-i-и — диодами, а в емкостном зазоре резонатора установлен варакторный диод, причем формирователь прямоугольных импульсов соединен с фазоинвертором, а между ними подключен формирователь пилообразных импульсов, выход которого соединен c âàðàêòoðíûì диодом, при этом n-i-p-1-и -диоды соединены соответственно с выходами фазоинвертора и формирователя прямоугольных импульсов, вход которого соединен с выходом генератора низкой частоты.

На фиг. 1 представлена функциональная схема СВЧ-устройства для измерения влажности на фиг. 2 конструктивное выполнение коаксиального резонатора на фиг. 3 зпюры управляющих йапряжений на раз. личных элементах схемы и эпюры выходного сигнала.

Функциональная схема содержит последовательно соединенные генератор 1, аттенюатор 2, коаксиальный резонатор 3 с емкостным зазором, детектор 4, фильтр 5 низкой частоты (ФНЧ), усилитель б, синхронный детектор 7, индикатор 8, генератор 9 низкой частоты, соединенный также с управляющим входом синхронного детектора 7. Кроме того, схема содержит формирователь 10 прямоугольных импульсов, фазоинвертор 11 и формирователь 12 пилообразных импульсов. . Формирователь 10 прямоугольных импульсов соединен с фазоинвертором

11, а между ними подключен формирователь 12 пилообразных импульсов, выход которого соединен с варакторным диодом 13. N-i-p-i-n -диоды 14 соединены соответственно с выходами фазоинвертора 11 и формирователя 10 прямоугольных импульсов, вход которого соединен с выходом генератора

9 нйзкой частоты.

В стенках внешнего проводника коаксиального резонатора выполнены отверстия связи с установленными в них n-i-р- 1-п -диодами 14, а в емкостном зазоре резонатора установлен варакторный диод 13. Управляющие напряжения подаются от источников на n-i-p-1-и-диоды 14 по проводам 15, а.на варакторный диоД по проводу 1б.

1013829

Генератор 1 и детектор 4 подклю- чены к Коаксиальному резонатору 3

;через соответствующие волноводы (нли коаксиальные линии) °

Устройство содержит также эталонный 17 и исследуемый 18 образцы.

Устройство работает следующим образом.

Сигнал, поступающий от генератора 1, возбуждает в коаксиальном резонаторе 3 вынужденные электромаг нитные колебания. Варакторный диод .13 обеспечивает перестройку резона-, тора таким образом, что обязательно частота генератора 1 и собственная частота резонатора 3 в какой-то, 15 момент совпадут.

При этом в резонаторе 3 возникают собственные колебания, амплитуда которых определяется добротностью резонатора. 20

Резонансная частота и амплитуда колебаний эквивалентного резонатору

3 контура определяются не только его собственными параметрами, но и высокими реактивными и активными составляющими элементов связи, подключенными к резонатору 3. При подключении эталонного образца 17 эквивалентный колебательный контур имеет определенную резонансную частоту

f с определенной амплитудой колебаний А, а при подключении исследуемого образца 18 контур имеет другую резонансную частоту f< и амплитудуколебаний А<. Реактивная составляющая частоты исследуемого образца 18 незначительно изменяет резонансную частоту колебательного контура (т.е. собственная частота резонатора почти не зависит от влажности образца), и поскольку имеется возможность 40 перестраивать контур с помощью емкости.варактора, то при этом обязательно в контуре возникают собственные колебания на частоте генератора

Йэ . Амплитуда же этих колебаний за- 45 вйсит от внесенной в контур активной составляющей исследуемого образца (т.е. добротности резонатора) и будет тем больше, чем меньше влажность, а с увеличением влажности ам-, 0 плитуда колебаний уменьшится.

Эпюры управляющих напряжений (фиг. 3) на различных элементах схемы и эпюры выходного сигнала поясняют работу предложенного устройства. 55

От синусоидального напряжения генера- тора 9 низкой частоты (а) Формируются две меандровые последовательности (д и3), сдвинутые по фазе на 180", которые управляют работой и-i-p-i-n- 60 диодов 14, осуществляя поочередное открывание окон связи резонатора.

Одновременно изменяется напряжение на варакторном диоде 13, а значит и его емкость(г). Управляющее напряжение варакторйого диода 13 по форме может быть различным, период изме- . .нения управляющего напряжения определяется длительностью прямоугольных импульсов, передаваемых на n-i-p-i-пдиоды 14.

При изменении емкости варакторного диода 13 от минимальной до максимальной ее величины в момент; когда частота резонатора 3 станет равной частоте генератора 1, сигнал, снимаемый с резонатора, пропорционален его добротности, которая однозначно связана с влажностью исследуемого образца 18 или параметрами эталонного образца 17. Этот сигнал поступает на детектор 4.

Напряжения, снимаемые с детектора

4 (g д ) имеют форму сдвоенных импуль- сов.

Изменяя форму пилообразного управляющего напряжения на варакторном диске 13 можно получать различные формы напряжений, снимаемых с детектора 4.

Низкочастотная составляющая спектра последовательно сдвоенных импульсов выделяется фильтром 5 низких час-тот (е, з), усиливается усияивателем б, детектируется синхронным детектором 7 и поступает на индикатор 8. Из эпюр (Е7 и() видно, что если напряжение, снимаемое с выхода Фильтра 5 нижних частот, в .фазе с опорным напряжением генератора 9 низкой часто:ты (а-е), то это соответствует боль шей влажности исследуемого образца

18, чем эталонного образца 17, и наоборот, если это напряжение в противофазе с опорным, это соответствует меньшей влажности исследуемого образца 18, чем эталонного образца

17 (а, з ). Амплитуда этих напряже- . ний пропорциональна отклонению .измеряемой влажности материала от нормируемой. При уменьшении g увеличении) мощности генератора или чувствительности детектора 4 уменьшается (увеличивается) сигнал о влажности, но также уменьшается (увеличивается) сигнал, поступающий от эталонного образца 17. Но отношение этих сигналов при постоянной влажности остается неизменным.

Таким образом, выходной сигнал не зависит от колебаний уровня мощности генератора 1, чувствительности детектора 4, нестабильностей усилителя б, синхронного детектора

7, и его полярность изменяется в зависимости от знака отклонения влажности от нормируемой.

Синхронизация работы схемы осуществляется от опорного генератора 9 низкой частоты. Сигнал с него поступает на формирователь 10 прямоугольных импульсов и далее на

1013829 г а нно40 Иранца

Риз. Я

n-i-p-i-n-диоды 14 соответствующего окна связи, а также на формирователь 12 пилообразных импульсов и фазоинвертор 11. Фазоинвертор 11 вырабатывает последовательность прямоугольных меандровых импульсов противофазных импульсам на его входе.

Выработанные фазоинвертором 11 импульсы поступают íà п-1 -р-Х -n-диоды 14 соответствующего окна связи.

Количеством щелей в окнах связи, B каждой из которых имеется n-i-p-i-пдиоды 14, обеспечивается необходимая связь электромагнитного поля с эталонным 17 и исследуемым 18 образцами. $5

При подаче на п-з.-р-1 -n- диоды 14 напряжения электромагнитное поле не выходит за пределы резонатора и не взаимодействует с внешней средой, а при отсутствии напряжения электромагнитное поле взаимодействует с эталонным 17 и исследуемым 18 образцами.

Отсутствие электромеханических звеньев, регулируемых аттенюаторов в СВЧ-тракте с жесткими требованиями к линейности и стабильности регулировочной характеристики, повышает точность и быстродействие измереиий влажности, надежность работы предложенного устройства. Отсутствие ручных подстроек и регулировок, получение на выходе сигнала, пропорционального отклонению влажности от нормируемой и используемого в дальнейшем как управляющего сигнала, удовлетворяет всем требованиям использования предложенного устройства, как преобразователя влажности в электрический сигнал.

ВНИИПИ Заказ 3005/51

Тираж 871 Подписное

1 Филиал ППП "Патент", г.ужгород,ул.Проектная,4