ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ЯЧЕЙКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДИЭЛЕКТРИКОВ НА СВЧ

Измерительная ячейка для измерения параметров диэлектриков на СВЧ предназначена ДЛЯ измерения относительной диэлектрической проницаемости (е) и тангенса угла диэлектрических потерь (tgd) в диапазоне сверхвысоких частот резонаторным методом и может быть использована для измерения диэлектрических свойств материалов как при комнатной, так и при высоких и при низких температурах.
Обычно ДЛЯ измерений резонаторным методом применяют цилиндрический резонатор с ВОЛНОЙ типа HOI (см., например, ГОСТ 8.544-86 или Брандт А.А. Измерения диэлектриков на сверхвысоких частотах, М., Физматгиз, 1963). Наиболее распространен так называемый метод вариации длины резонатора (ГОСТ 8.544-86). Нри измерении этим методом резонатор настраивают на одну и ту же фиксированную частоту перемещением поршня - подвижной торцевой стенки - вначале без образца, а затем с образцом. Геометрическая длина резонатора при внесении в него образца изменяется, так как в части объема резонатора, занятой образцом, изменяется длина волны. Это изменение длины волны компенсируется изменением длины резонатора, а изменение длины резонатора используется в вычислениях ДЛЯ определения относительной диэлектрической проницаемости (е) материала образца. Чем точнее определяется изменение длины резонатора, тем вьцпе точность измерения .
Но ДЛЯ того, чтобы поместить в резонатор образец, необходимо вывести поршень за пределы резонатора, уложить на него образец и снова ввести поршень с образцом в резонатор.
При настройке резонатора на частоту измерения поршень перемешают с помошью микрометрического винта, так как иначе нельзя получить необходш гую точность определения изменения длины резонатора. Хорошо известно, что высокоточные микрометрические винты с погрешностью шага резьбы в пределах 0,003 мм на длине 50 мм невозможно изготовить длиной более 75 мм. Как правило, такие высокоточные винтовые пары имеют рабочий ход не более 50 мм, что не позволяет использовать эту винтовую пару ДЛЯ вывода поршня за пределы резонатора по конструктивным причинам. Ноэтому в измерительных резонаторах механизм настройки - винтовую пару с приводом - выполняют в виде отдельного узла, который может перемешаться вертикально вдоль направляюшей с
помощью отдельного привода, что позволяет выводить поршень за пределы резонатора для размещения на поршне образца исследуемого материала. Здесь возникает один из источников погрешности измерения е - после опускания узла настройки резонатора на частоту измерения (далее - узел настройки) в нижнее положение и подьема его в верхнее (рабочее) положение узел настройки устанавливается не точно на той же самой высоте, в результате чего изменяется геометрическая длина резонатора. Это смещение включается в изменение длины резонатора при заполнении части его объема образцом, в результате чего расчет  будет выполнен с погрепшостью, определяемой абсолютной величиной погрепшости установки узла настройки в верхнее - рабочее - положение. Автором первого варианта ГОСТ 8.544-86 (ГОСТ 12723-67, взамен которого был введен ГОСТ 8.544-86) эта погрепшость определена как невоспроизводимость разъема.
В резонаторе ОР-2М, который рекомендован для измерений при комнатной температуре по методике ГОСТ 8.544-86, ход узла настройки невелик - около 50 мм. Так как весь резонатор находится при комнатной температуре, то остановка узла настройки в крайнем верхнем положении осуществляется при упоре корпуса узла настройки в нижний торец цилиндра резонатора. Привод механизма перемещения узла настройки снабжен фрикционом, который обеспечивает достаточно постоянное усилие прижатия при остановке узла настройки в верхнем положении. А так как некоторые детали механизма перемещения узла настройки этого резонатора изготовлены на прецизионном оборудовании, то невоспроизводимость разъема в резонаторе ОР-2М не превышает 0,01 мм (см. Зальцман Е.Б. Отчет ВНИИФТРИ 07.03.14.71, Разработка и аттестация объемного измерительного резонатора высокой точности, 1966).
Однако при такой конструкции весьма высока вероятность попадания пылинок, находящихся в воздухе, между двумя соприкасающимися металлическими деталями. В этом случае погрешность установки узла настройки в рабочее ноложение увеличится на поперечник пьшинки, который лежит в пределах от 0,005 до 0,05 мм. Т.е., есть довольно высокая вероятность появления дополнительной погрешности с абсолютной величиной около 0,05 мм при определении изменения длины резонатора. Такая неучтенная погрепшость может стать причиной появления дополнительной погрешности измерения в величиной от нескольких десятых до единиц процентов.
Рассматривая способы снижения величины невоспроизводимости разъема, следует иметь в виду, что при настройке резонатора к рукоятке узла настройки прикладьтается некоторое усилие. Поэтому узел настройки должен надежно и без люфта фиксироваться в рабочем положении. Из-за этого требования для контроля положения узла настройки нельзя применить индикатор линейных перемещений, так как тогда после каждой загрузки образца придется вычислзггь и вводить в расчеты поправку на смещение корпуса узла настройки. Устанавливать дополнительные управляемые фиксаторы тоже нерационально, так как они только усложнят конструкцию и работу измерительной ячейки и увеличат вероятность оцшбки оиератора.
В резонаторах, предназначенных для исследования температурной зависимости параметров диэлектриков, резонатор окружают теплоизоляцией, в поршень встраивают термопару, шток поршня удлиняют и делают составным с теплоизолирующей вставкой. В результате детали узла настройки получаются массивными, а длина хода этого узла для вьшода поршня за пределы резонатора может достигать 200 мм и более (см., например, Бреховских С.М., Демьянов В.В., Зальцман Е.Б., Литовченко А.В., Смирнов Г.А. Установка для измерения параметров диэлектриков в сверхвысокочастотном диапазоне при температурах до 2300К. Приборы и техника эксперимента. 1985, №4, с. 141-143).
узла настройки в рабочее положение должно быть прекращено сообщение внутреннего объема резонатора с атмосферой. Следует отметить, что именно эти узлы конструкции разнообразных исследовательских резонаторов не находили отражения в работах, опубликованных за последние несколько десятилетий.
Прототипом предлагаемой полезной модели можно считать авторское свидетельство СССР № 1141135, согласно которому узел настройки резонатора перемещается вручную по вертикали внутри направляющей с помощью двух качающихся в горизонтальной плоскости оппозитных пальцев, для которых в направляющей прорезаны два вертикальных паза. Для фиксации механизма настройки в рабочем положении пальцы поворотом их в горизонтальной плоскости вводятся в горизонтальные пазы, также вырезанные в направляющей и примыкающие к вертикальным пазам. Нестабильность разъема в этой конструкции превьппала ±0,04 мм (измерения вьшолнены в 1987 году на установке, изготовленной по этому авторскому свидетельству).
Целью предлагаемой полезной модели является снижение величины невоспроизводимости разъема и исключение влияния случайных факторов, увеличивающих эту величину. Это, в конечном счете, приводит к повьппению точности измерения диэлектрических характеристик материалов.
Конструкция измерительной ячейки показана на чертеже фиг.1. Здесь цилиндр резонатора показан частично, а нагреватель (или холодильник) условно не показаны, так как могут иметь любую конструкцию. Так же условно не показаны крепежные детали и второстепенные элементы корпуса. На чертеже взаимное расположение деталей показано в рабочем положении, когда узел настройки поднят в крайнее верхнее положение.
На корпусе 1 установлен цилиндр 2 резонатора. Соосно с цилиндром резонатора на корпусе 1 закреплена цилиндрическая направляющая 3, на фланце которой установлен стопор переменной высоты 4, а на внещней цилиндрической поверхности направляющей 3 нарезана трапецеидальная либо прямоугольная (квадратная) резьба. Направляющую 3 охватывает обечайка 5. Обечайка 5 в верхней части имеет фланец, который опирается на аксиальный подщипник 6, установленный в кольцевой выточке гайки 7. Гайка 7 с направляющей 3 образует винтовую пару. Гайка 7 снабжена зубчатым венцом, находящимся в постоянном зацеплении с зубчатым колесом 9, а на верхней торцевой поверхности гайки 7 установлен упор 8. Зубчатое колесо 9 снабжено приводным механизмом, состояпщм из пары конических шестерен 10 и 11. Шестерня 10 закреплена на оси зубчатого колеса 9, а на оси шестерни 11 закреплена рукоятка 12. В нижней части обечайки 5 находится аксиальный подшипник 13, в котором вращается гайка 14. На гайке 14 закреплено коническое зубчатое колесо 15, которое связано с приводным механизмом 16, имеющим маховичок с рукояткой 17. Загрузочное окно 18 прорезано в направляющей 3 и закрыто обечайкой 5. На ходовом винте 19 установлен шток 20, на верхний конец которого опирается поршень 21.
Ходовой винт 19 и гайка 14 образую первую винтовую пару, с помощью которой можно перемещать порщень при настройке резонатора, а весь узел настройки состоит из приводного механизма 16, гайки 14, подпшпника 13 и ходового винта 19. Направляющая 3 и гайка 7 образуют вторую винтовую пару, с помощью которой можно перемещать механизм настройки вместе с порщнем 21. Ходовой винт 19 удерживается от вращения либо закрепленным на его нижнем торце флажком, перемещающимся внутри вертикальной прорези или в детали корпуса 1 или в корпусе приводного механизма 16, либо с помощью неподвижной шпонки, входящей в продольную канавку, фрезерованную на винте 19 (условно не показано). Аналогично одним из известных способов удерживается от вращения вокруг направляющей 3 и обечайка 5 (на чертеже условно не показано).
зубчатый венец вращает гайку 7. Гайка 7 опускается по резьбе на внешней поверхности направляющей 3, вместе с гайкой 7 опускается подвешенная на гайке обечайка 5 вместе с узлом настройки, включаюпщм приводной механизм 16, гайку 14 с конической шестерней 15, ходовой винт 19, шток 20 и поршень 21. Обечайку 5 опускают до тех пор, пока верхняя плоскость поршня 21 не окажется против нижнего края загрузочного окна 18. Образец исследуемого материала укладывают на порщень и затем рукоятку 12 вращают в обратном направлении. Гайка 7 поднимается по резьбе направляющей 3 до тех пор, пока упор 8 не соприкоснется со стопором 4 и вращение гайки 7 прекратится. Так как резьба винтовой пары гайка-направляющая вьшолнена самотормозящейся, то обратное самопроизвольное вращение гайки 7 под воздействием веса обечайки и закрепленных на ней деталей исключено.
Тот факт, что имеется возможность изменять высоту стопора 4 и закреплять упор 8 в различных точках окружности на верхней плоскости гайки 7, позволяет регулировать высоту, на которой останавливается гайка 7, в пределах нескольких размеров шага резьбы винтовой пары гайка-направляющая. Такая необходимость может возникнуть в процессе наладки сверхвысокочастотной части измерительной установки, в которую входит измерительная ячейка.
Рассмотрим возможную величину нестабильности разъема в такой конструкции. Пусть внутренний диаметр резонатора равен 50 миллиметрам. Тогда внешний диаметр направляющей (и диаметр резьбы на ней) может быть 60 мм. В этом случае шаг резьбы может быть вьшолнен равным, например, 5 мм. Упор на гайке 7 может устанавливаться в некоторой точке на окружности диаметром около 80 мм. Длина окружности, таким образом, составит около 250 мм. Пусть каким-то образом на упоре оказалось постороннее тело толщиной 0,1 мм, т.е., 1/2500 длины окружности. Тогда гайка остановится на 1/2500 шага резьбы раньше, т.е., на 0,002 мм - такой величины может оказаться нестабильность разъема. На самом же деле, при испыганиях реальной конструкции, нестабильности разъема не наблюдалось (при вьшолнении измерений образцов) в ходе нескольких сотен циклов опускания-подъема узла настройки. Определить действительную величину нестабильности разъема не удалось, так как она была существенно меньше чувствительности (около 0,005 мм) использованных средств измерения и индикации.
Автор-заявитель/ ш А.В.Литовченко