Устройство для измерения диэлектрических параметров жидкостей

Устройство для измерения диэлектрических параметров жидкостей

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение обеспечивает расширение функциональных возможностей путем обеспечения непрерывного контроля отклонений диэлектрических параметровисследуемой жидкости от заданного закона их изменения. Сигнал от СВЧ-генератора 1 через делители мощности 2, 3 поступает по двум каналам на открытьй резонатор (ОР), образованный плоским зеркалом 4 и сферическим зеркалом 5. Мезду зеркалами 4, 5 расположена кювета 12, вьшолненная из диэлектр-ика, в пазах которой, находится исследуемая и эталонная жидкости . Посредством двух идентичных волноведущих щелей связи, прорезанных в плоском зеркале 4, в объеме ОР возбуждаются моды ТЕМ и ТЕМ„ , облаO7tL дающие двухосевой симметрией и отличающиеся расположением пятен полей. В ОР с изотропным заполнением в поперечном сечении эти моды вьфождены по .определенным частотам. При возникновении анизотропии свойств среды, заполняющей ОР, вырождение мод снимается и моды присутствуют в спектре ОР раздельно. Вывод энергии из ОР осуществляется посредством отверстия связи. Разделитель поляризации 9 выделяет возбуждаемые в ОР моды на разных поляриз ациях. Измеритель фазы 8, на который с фазового модулятора-6 через делитель мощности 7 подается опорный сигнал, выделяет информацию об амплитуде и фазе сигнала. Информация регистрируется регистратором 11 сканирование ОР осуществляется узлом 10., 1 з.п. ф-лы,. 2 ил. (О 00 00 о 01 сх Од

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (11) А1 (51) 4 С.01 R 27/26

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

g(p(nn Щ Я

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

Н АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3958959/24-09 (22) 26.08.85 (46) 15.08.87. Бюл. Ф 30 (71) Институт радиофизики и электроники АН УССР (72) А.В.Вертий, В.Н.Деркач, И.В.Иванченко и.В.П.Шестопалов (53) 621.3 17.335.3(088.8) (56) Журнал физической химии, 1983, т. 57, М 1, с. 250-254.

ПТЭ, 1984, N 1, с. 204-206. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЖИДКОСТЕЙ (57) Изобретение обеспечивает расширение функциональных воэможностей путем обеспечения непрерывного контроля отклонений диэлектрических параметров исследуемой жидкости от заданного закона их изменения. Сигнал от

СВЧ-генератора 1 через делители мощности 2, 3 поступает по двум каналам на открытый резонатор (OP), образованный плоским зеркалом 4 и сферическим зеркалом 5. Мезду зеркалами 4, . 5 расположена кювета 12, выполненная из диэлектрика, в пазах которой. находится исследуемая и эталонная жидкости. Посредством двух идентичных волноведущих щелей связи, прорезанных в плоском зеркале 4, в объеме ОР возбуждаются моды TEM и ТЕМ, облаог гос дающие двухосевой симметрией и отличающиеся расположением пятен полей.

В OP с изотропным заполнением в поперечном сечении эти моды.вырождены. по определенным частотам. При возникновении анизотропии свойств среды, заполняющей ОР, вырождение мод снимается и моды присутствуют в спектре

0Р раздельно. Вывод энергии из OP осуществляется посредством отверстия связи. Разделитель поляризации 9 выделяет возбуждаемые в 0Р моды на разных поляризациях, Измеритель фазы 8, на который с фазового модулятора 6 через делитель мощности 7 подается опорный сигнал, выделяет информацию об амплитуде и фазе сигнала. Информация регистрируется регистратором 11. сканирование OP осуществляется узлом 10.,- 1 з.п. ф-лы. 2 ил.

Изобретение относится к технике измерений в диапазонах миллиметровых и субмиллиметровых длин волн, а именно к измерению диэлектрических пара5 метров жидких диэлектриков.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей путем обеспечения непрерывного контроля отклонений диэлектрических параметров исследуемой жидкости от заданного закона их изменения.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для измерения диэлектрических параметров жидкостей; на. фиг. 2 — конструкция кюветы.

Устройство для измерения диэлектрических параметров жидкостей содержит СВЧ-генератор 1, выход которого соединен с входом первого делителя 2 мощности, первый выход которого соединен с входом второго делителя 3 мощности, первый и второй выходы которого соединены с открытым резонатором, образованным плоским зеркалом 4 и сферическим зеркалом 5, посредством щелей связи, прорезанных в плоском зеркале 4 под углом одна к другой и равноотстоящих от оси от крытого резонатора, к второму выходу первого делителя 2 мощности подсоединен вход фазового модулятора 6, выход которого соединен с входом третьего делителя 7 мощности, первый и второй выходы которого соединены с опорными входами блока для измерения характеристик резонатора, выполненного в виде измерителя 8 фазы, сигнальные входы которого соединены с первым и вторым выходами разделителя 9 поляри40 зации, вход которого соединен с открытым резонатором посредством отверстия связи, прорезанного в сферическом зеркале 5.

Сферическое зеркало 5 снабжено уз- 45 лом 10 перемещения, который соединен с входом регистратора 11, другой вход которого соединен с выходом измерителя 8 фазы. На оси открытого резонатора внутри него установлена кювета 5р

12, выполненная из диэлектрика, толщиной кратной /2 и состоящая из двух частей — сплошной пластины 13 и примыкающей к ней пластины 14, в центре которой выполнены продольный паз 15 55 для исследуемой жидкости и два паза

16 для эталонной жидкости, расположенные симметрично относительно продольного паза 15 и параллельно ему, при86 2 чем оси пазов 16 расположены на расстоянии

-Г5

d = — W (2 ОФ где W = -„-(т.(М-Ь))

Я 1(2

2 1с от оси продольного паза 15, а ось, проходящая через середину расстояния между краями двух соседних пазов, расположена от оси продольного паза 15 на расстоянии

Щели связи, прорезанные в плоском зеркале 4, расположены на взаимно ортогональных осях и ориентированы о под углом 90 одна к другой.

Устройство для измерения диэлектрических параметров жидкостей работает следующим образом.

Сигнал от СВЧ-генератора 1 через .первый и второй делители 2 и 3 мощности поступает по каналам а и b на вход открытого резонатора. Посредством двух идентичных волноведущих щелей связи, прорезанных в плоском зеркале 4, в объеме открытого резонатора возбуждаются моды ТЕМ и ТЕМ

02 с 20 обладающие двухосевой симметрией и. отличающиеся расположением пятен полей в поперечном сечении открытого резонатора. Каждая мода возбуждается с помощью соответствующих щелей связи, а вектора электрических полей этих мод поляризованы в соответствии с ориентацией волноведущих щелей связи. В таком открытом резонаторе с изотропным заполнением в поперечном сечении согласно дисперсионному уравнению эти моды вырождены по частоте

KL=iiq+(m+n+1)arccos(1-L/R), 2 п где К=— h

L — длина открытого резонатора; — рабочая длина волны; тп и и — поперечные вдоль осей х и у, о — продольный вдоль оси 2 индексы мод;

R — - радиус кривизны сферического зеркала 5, т„е, при фиксированной частоте дан- . ные моды возбуждаются в открытом резонаторе при одном и том же резонансном расстоянии между зеркалами. При возникновении анизотропии свойств среды, заполняющей открытый резонатор, вырождение мод ТЕМО и ТЕМ шоу

3 13305 снимается и эти моды присутствуют в спектре открытого резонатора раздельно. Таким образом при механическом или электрическом сканировании с по5 мощью узла 10 перемещения сферического зеркала 5 относительно плоского зеркала 4 в выбранном участке спектра открытого резонатора в последнем будут поочередно или одновременно воз-1О уждат ся моды ТЕМог и ТЕМго огс го отличающихся поляризациях. Вывод энергии из открытого резонатора осуществляется посредством отверстия связи в виде круглой диафрагмы диаметром

0,2 и толщиной 0,034 в центре сферического зеркала. 5. Разделитель 9 поляризации, расположенный на выходе открытого резонатора и обеспечивающий развязку между двумя выходными плеча- 20 ми 25-30 дБ, позволяет выделить возбуждаемые в открытом резонаторе моды на разных поляризациях. Оба сигнала, соответствующие резонансному коэффициенту передачи открытого резонатора

25 на модах ТЕМО и ТЕМ, подаются по

Огq го<, каналам е и f на входы измерителя 8 фазы. При этом на опорные входы измерителя 8 фазы по каналам с и и поступают когерентные сигналы с третьего делителя 7 мощности и фазового модулятора 6. В результате в измерителе 8 фазы сигналы смешиваются и информация об амплитуде и фазе перено35, сится на низкую промежуточную частоту, соответствующую частоте фазовой модуляции. После детектирования сигналы на выходе усилителей с точностью до постоянной можно записать в следующем виде:

U, (t) =Асов(ьср, +at)

Б (й)-Всоз(ыр +S?t) где А и  — амплитудные коэффициенты;

Ь р,и дц — разности фаз сигналов, поступающих на входы соответственно с, f и d, е, измерителя 8 фазы; и — частота фазовой модуляции.

В результате с выходов измерителя 8 фазы амплитудно-модулированные сигналы с частотой 51 подаются на регистратор 11 в виде двухлучевого осциллографа.

Таким образом, после заполнения продольного паза 15 и пазов 16 эталонной и исследуемой жидкостями и осуществления сканирования открытого ре86

4 зонатора на экране ЭЛТ будут наблюдаться две резонансные кривые, расстояния между максимумами которых и ширины на уровне половинной мощности имеют взаимооднозначное соответствие с искомыми величинами Я и tgR

ОБр а именно:

-1 2а Г Г2а

Я = + 13Я ?./h — — ехр (-(- — ) (1+

ОБ

2-Г2а 1

+ — -)

Wo щ S„=cg E„1-(3Pi (nL-û) /h °

12 а Г2а 2-Г2а — -ехр -(— -) х(1+ — — ) E „

При условии, когда af /Е„- Я,/

=0,1 и добротность открытого резона4 тора составляет величины Q-10 -10 обе резонансные кривые могут наблюдаться на экране ЭЛТ раздельно, однако в тех случаях, когда величины 6 5 становятся достаточно малыми, такими, что. две резонансные кривые уже не могут быть разрешены согласно известному критерию Релея, способы возбуждения открытого резонатора и регистрации, а также конструкция кюветы позволяют вести измерения и контроль диэлектрических параметров исследуемых жидкостей в области неразрешимых частотных сдвигов, т.е. приЬГ 0,1, не прерывая тот или иной технологический процесс. В этом случае сигналы с измерителя 8 фазы подаются одновременно на промьппленный фазовый детектор и на отклоняющие пластины Х и Y ЭЛТ, в результате на экране ЭЛТ будет наблюдаться фигура Лиссажу в виде эллипса поляризации, параметры которого однозначно связаны с измеряемыми параметрами жидкости соотношениями: ачба. 2Л.

/а Я/ =- — (- — +Q)

-h

У

j3 =>arctg ttg 2arctg>Jcos bg где L — - расстояние между зеркалами открытого резонатора в точке пересечения резонансных кривых;

h — толщина слоя исследуемой жидкости.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения диэлектрических параметров жидкостей, 5 1330586 ь содержащее СВЧ-генератор, открытый ля мощности, первый и второй выходы резонатор, образованный плоским и которого соединены с открытым резонасферическим зеркалами, на оси откры- тором посредством щелей связи, протого резонатора внутри него располо- реэанных в плоском зеркале под углом жена кювета, выполненная иэ диэлект- 5 одна другой и равноотстоящих от оси рика, толщиной, кратной Ъ /2, и сос- открытого резонатора, к второму выхотоящая из двух част двух частей — сплошной плас- ду первого делителя мощности подклю" . тины и примыкающей к ней пластины, чен вход фазового модулятора, выход в центре которой выполнен продольный которого соединен с входом третьего паз для подачи исследуемой жидкости, 10 делителя мощности, первый и второй узел перемещения е ения сферического зерка- выходы которого соединены с опорными ла, а также блок для измерения харак- входами измерителя фазы, при этом теристик резонатора и регистратор, кювета дополнительно снабжена двумя первый вход которого соединен с уэ- паэами для этаг.онной жидкости, располом перемещения сферического зеркала, 15 ложенными симметрично относительно а второй вход — с выходом блока для продольного паза и параллельно ему, измерения .характеристик резонатора, причем оси пазов для эталоннои жидотличающее я а ю щ е е с я тем что р р кости расположены на расстоянии с целью расширения функциональных . р 5

< 2 ОР возможностей путем обеспечения непре-20

1I2 рынного контроля отклонений Лиэлектрических параметров исследуемой жид- о 2 кости от заданного закона анного закона их измене- L — - расстояние между плоским и ния, введены первый, второй и третий сферическим зеркалами; делители мощности, фазовый модулятор, 25 R — - радиус кривизны сферического разделитель поляризации, а блок для измерения характеристик резонатора представляет собой измеритель фазы от оси,продольного паза, а ось, прос,двумя опорными и двумя сигнальными ходящая через середину расстояния входами, причем разделитель поляриза- 30 между краями двух соседних пазов,, . ции соединен .с открытым резонатором расположена от оси продольного паза посредством отверстия связи, выпол- на расстоянии венного в сферическом зеркале, первый 1 и второй выходы разделителя поляриза- а 2 o ции соединены с сигнальными входами 2. Устройство по п. 1, о т л и35 измерителя фазы, выход СВЧ-генерато- ч а ю щ е е с я тем, что щели связи, ра.соединен с входом первого дели- прорезанные в плоском зеркале, рас-. теля мощности, к первому выходу ко- положены на ортогональных осях и ориторого подключен вход второго делите- ентированы под углом 90 одна другой.

Га

ВНИИПИ Заказ 3579/48 Тираж 730 Подписное

Произв.-полигр. пр-тие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4