КОАКСИАЛЬНАЯ ЯЧЕЙКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ НА СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ (СВЧ)

Полезная модель относится к области СВЧ измерений и радиофизики, предназначена в первую очередь для использования в составе установки измерения электрофизических параметров жидких диэлектриков, но также может использоваться для исследования твердых диэлектриков при соответствующей подготовке образцов (например, путем их измельчения).
Измерение электрофизических параметров диэлектриков, в частности жидких, находит широкое применение в различных областях науки и техники, связанных с исследованием взаимодействия сверхвысокочастотных электромагнитных полей с веществом, синтезом новых гомогенных и гетерогенных материалов за счет резонансного поглощения энергии сверхвысокочастотных электромагнитных полей, дистанционным управлением свойств различного рода веществ, включая коллоидные и эмульсионные системы.
Известна измерительная ячейка, используемая для контроля СВЧ-параметров диэлектрических материалов (Патент РФ на изобретение №2012893 МПК G01R 27/26, Великоцкий В.Н., Двадненко В.Я., Де-Мондерик В.Г., Старшинова Е.И., Чижов В.В., Ярмак И.Н.). Устройство содержит отрезок запредельного волновода, внутри которого размещен резонансный на рабочей частоте составной вкладыш, состоящий из контролируемого диэлектрического образца и двух подвижных диэлектрических элементов. Подвижные диэлектрические элементы выполнены со ступенчатыми выступами. Величина зазора между выступающими частями диэлектрических элементов обеспечивает частотную компенсацию в измерительной ячейке при изменении ширины контролируемого образца.
Основным недостатком устройства является невозможность исследования параметров жидких диэлектриков.
Известно устройство для определения параметров низкоимпедансных материалов на СВЧ с помощью коаксиального резонатора (Патент РФ на изобретение №2326392 МПК G01R 27/04, Дмитриенко Г.В., Трефилов Н.А.), которое содержит СВЧ-генератор, измерительное устройство комплексного коэффициента отражения, частотомер, коаксиальный резонатор и образец измеряемого материала. Коаксиальный резонатор выполнен короткозамкнутым на конце, причем центральный проводник выполнен из измеряемого низкоимпедансного материала, а в качестве эталона используется центральный проводник, выполненный из металла. Изобретение обеспечивает расширение частотного диапазона измерений, повышение точности измерительной информации о комплексной диэлектрической проницаемости сильно поглощающих материалов, имеющих одновременно большие значения диэлектрической проницаемости ε и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ.
Основным недостатком установки является невозможность измерения электрофизических параметров жидких диэлектриков.
Известен способ измерения параметров жидких электролитов и диэлектриков (Патент РФ на изобретение №2433416 МПК G01R 27/26, Корндорф С.Ф., Ногачева Т.И., Давыдова Н.В.). Изобретение относится к области электрических измерений. Измерительную ячейку с исследуемой жидкостью включают последовательно с двумя омическими сопротивлениями в электрическую цепь. Устанавливают на измерительной ячейке напряжение, при котором необходимо проводить измерения, и измеряют напряжения на участке измерительная ячейка - первое эталонное сопротивление и входное напряжение измерительной цепи, отношение которых к напряжению на измерительной ячейке используют при расчете параметров жидких электролитов и диэлектриков. Одновременное измерение указанных напряжений и использование значений их отношений к напряжению на измерительной ячейке при расчете значений определяемых параметров исключает погрешность, обусловленную нестабильностью напряжения и частоты источника питания и непостоянством напряженности электрического поля в измерительной ячейке, и позволяет упростить процесс измерения. Заземление измерительной ячейки уменьшает влияние внешних электрических полей на результаты измерений. Постоянство напряжений на измерительной ячейке в процессе измерений позволяет исследовать зависимость параметров контролируемой жидкости от напряженности электрического поля. Технический результат заключается в повышении точности измерения параметров жидких электролитов и диэлектриков.
Недостатком данного способа является невозможность изучения свойств диэлектриков в широком диапазоне частот.
Известна измерительная ячейка для измерения параметров диэлектриков на СВЧ (Патент РФ на изобретение №24292 МПК G01R 27/26, Литовченко А.В.), содержащая корпус и установленный на нем цилиндрический резонатор, ось которого расположена вертикально и который может быть снабжен нагревателем и/или холодильником, верхний торец резонатора закрыт неподвижной крышкой, являющейся верхней торцевой стенкой резонатора, при этом элементы связи резонатора с трактом СВЧ расположены на верхней торцевой и/или на цилиндрической стенке резонатора, нижняя торцевая стенка резонатора образована поршнем, установленным на вертикальном штоке, внутри которого может быть выполнен канал для установки термопары, шток установлен или укреплен на торце вертикального ходового винта первой винтовой пары, при этом гайка первой винтовой пары связана с приводным механизмом и закреплена с возможностью вращения в обойме на нижнем торце обечайки, имеющей гладкую внутреннюю поверхность и охватывающей закрепленную на корпусе направляющую, расположенную соосно с резонатором и имеющую внутреннюю полость, причем, загрузочное окно для установки образца исследуемого материала выполнено в нижней части цилиндра резонатора или в верхней части направляющей, отличающаяся тем, что на внешней поверхности направляющей выполнена самотормозящаяся резьба, а на верхнем торце обечайки закреплена с возможностью вращения гайка, снабженная зубчатым венцом, которая образует с направляющей вторую винтовую пару, при этом обечайка удерживается от вращения вокруг направляющей известными методами.
Основным недостатком данной ячейки является сложность конструкции при ее воспроизводстве.
Наиболее близкой к заявляемой конструкции является измерительная ячейка, выполненная коаксиальной, и содержащая шайбы из фторопласта, между которыми помещают исследуемый образец. (М.И.Эпов, В.Л.Миронов, П.П.Бобров, И.В.Савин, А.В.Репин «Исследование диэлектрической проницаемости нефтесодержащих пород в диапазоне частот 0.05-16 ГГц» - Геология и геофизика, 2009, т.50, №5, с.613-618).
Задачей заявляемого технического решения является создание такой измерительной ячейки, которая могла бы преодолеть указанные выше недостатки существующих аналогов и обеспечить возможность исследования свойств жидких диэлектриков, при этом сохраняя максимальную простоту конструкции.
Технический результат, достигаемый в предложенном варианте коаксиальной измерительной ячейки, состоит в повышении точности и надежности, а также в обеспечении герметичности устройства, способного измерять в широком спектре частот параметры различных веществ с различной диэлектрической проницаемостью, включая жидкие коллоидные и эмульсионные системы.
Указанный технический результат достигается тем, что в коаксиальной ячейке для измерения параметров жидких диэлектриков на СВЧ, содержащей резонатор с внутренним и внешним проводниками, фторопластовые шайбы и элементы связи резонатора с трактом СВЧ, согласно заявляемому решению, на внешней поверхности внешнего проводника резонатора выполнена резьба, элементы связи резонатора расположены на торцевых стенках резонатора и выполнены в виде двух коаксиальных соединительных разъемов, внешний проводник соединительного разъема выполнен с выступающей кромкой, к внутренней поверхности которой крепится фторопластовая шайба, являющаяся одновременно соответствующей торцевой стенкой резонатора, ячейка содержит два фиксатора для элементов связи, соединенных посредством резьбового соединения с внешним проводником резонатора
При этом соотношение внутреннего диаметра внешнего проводника к диаметру внутреннего проводника составляет 10:4.3 мм, а длина проводников равна 20 мм
Полезная модель поясняется чертежами, где на Фиг.1 представлена принципиальная схема коаксиальной измерительной ячейки, на Фиг.2 - фотоизображение изделия. Позициями обозначены:
1 - внутренний проводник;
2 - внешний проводник;
3 - соединительный разъем;
4 - фторопластовая шайба;
5 - внешний проводник соединительного разъема;
6 - внутренний проводник соединительного разъема.
7 - внешний накручивающийся фиксатор.
Коаксиальная измерительная ячейка для измерения параметров жидких диэлектриков содержит цилиндрический резонатор с торцевыми стенками, выполненный в виде внешнего проводника 1, внутри которого расположен внутренний проводник 2, а также элементы связи резонатора с трактом СВЧ, расположенные на торцевых стенках резонатора. Внутренний проводник 2 резонатора выполнен также цилиндрической формы. Элементы связи резонатора с трактом СВЧ выполнены в виде двух соединительных разъемов 3, каждый из которых состоит из внутреннего проводника 6, внешнего проводника 5 и фторопластовой шайбы 4. Фторопластовые шайбы 4 являются стенками, которые закрывают свободное пространство между внутренним 1 и внешним 2 проводниками с торцов. Внутренний проводник 6 соединительного разъема 3 соединен с внутренним проводником 1 резонатора посредством резьбового соединения.
Внутренний проводник 1 и внешний проводник 2 резонатора выполнены одинаковой длины. Внешний (2) проводник выполнен в виде полого цилиндра, а внутренний 1 - в виде цельного цилиндра, причем соотношение диаметров данных проводников составляет 10/4.3. Внутренний проводник 1 резонатора выполнен с отверстиями в торцах, в которых сделана резьба для соединения с внутренним проводником 6 соединительного разъема 3. Внешний проводник 2 выполнен с резьбой, расположенной на внешней поверхности цилиндра в центральной его части - для соединения с фиксаторами 7.
Элементы связи выполняют функцию фиксации ячейки в тракте, а также осуществляют герметичную фиксацию исследуемого образца жидкого диэлектрика. Элементы связи выполнены в виде двух соединительных разъемов 3, имеющих цилиндрическую форму. Каждый из соединительных разъемов 3 состоит из внутреннего проводника 6 соединительного разъема 3, внешнего проводника 5 соединительного разъема 3 и шайбы 4, выполненной из материала, слабопоглащающего СВЧ-излучение - фторопласта. Фторопластовая шайба 4 фиксирует исследуемый образец в ячейке. Внешний 5 и внутренний 6 проводники соединительных разъемов 3 выполнены в форме цилиндров с соотношением диаметров 10/4.3, то есть с тем же соотношением диаметров, что и у проводников 1 и 2 резонатора. Внешняя поверхность внутреннего проводника 6 соединительного разъема 3 выполнена с метрической резьбой для соединения с внутренним проводником 1 резонатора. Внешняя цилиндрическая поверхность внешнего проводника 5 соединительного разъема 3 выполнена с кромкой, диаметр которой совпадает с диаметром внешнего проводника 2 резонатора.
Для дополнительной жесткости соединений, фиксации ячейки в измерительном тракте и центровки внутреннего 1 проводника устройство содержит также фиксаторы 7, которые крепятся с обоих концов ячейки, накручиваясь на резьбу внешнего проводника 2 резонатора. При необходимости внешний 2 и внутренний 1 проводники резонатора могут быть заменены на аналогичные большей или меньшей длины, при этом конструктив (длина, диаметр и цилиндрическая форма) соединительных разъемов 3 и внешних накручивающихся фиксаторов 7 не изменяется. При эксплуатации фторопластовые шайбы 4, фиксирующие образец в ячейке, могут быть легко заменены на новые.
Соединительные разъемы за счет выбранных для них геометрических параметров (цилиндрическая форма и соотношение диаметров) обеспечивают возможность измерения параметров жидких диэлектриков в широком диапазоне частот - до 3 ГГц. Способ резьбового соединения соединительных разъемов с проводниками резонатора обеспечивает герметичность всей конструкции.
Длина внешнего и внутреннего (1 и 2) проводников резонатора составляет 20 мм и обусловлена диапазоном (СВЧ) частот, на котором происходит измерение. Если необходимо измерять свойства жидких диэлектриков на меньших частотах (менее 1 ГГц), следует использовать резонатор большей длины. Если же необходимо исследовать свойства жидких диэлектриков в диапазоне частот от 1 ГГц и выше - следует использовать резонатор длиной 20 мм. Преимуществом заявляемой полезной модели является то, что длина резонатора конструктивно не связана с соединительными разъемами, за счет чего можно легко изменять длину коаксиальной измерительной ячейки для исследования веществ с различными свойствами в необходимом диапазоне частот. Так, например, при необходимости можно уменьшить или увеличить длину резонатора. Для этого необходимо изготовить таких же размеров в поперечном сечении, но другой длины внутренний и внешний цилиндрические проводники резонатора, сделав соответствующие резьбовое соединение на торцах внутреннего проводника и резьбу на внешней стороне внешнего проводника. При этом конструкцию (то есть, длину, диаметр и форму) соединителей разъема 3 и внешних накручивающихся фиксаторов 7 изменять не нужно.
Устройство работает следующим образом.
Ячейку включают в СВЧ-тракт цифрового анализатора СВЧ цепей, например, Agilent Technologies ENA-L RF Network Analyzer E5062A, пространство между внутренним проводником 1 и внешним проводником 2 заполняют исследуемым жидким диэлектриком, для чего с одной стороны выкручивается соединительный разъем 3. После полного заполнения пространства между внутренним 1 и внешним 2 проводником ячейки соединительный разъем 3 снова закручивается. Затем с каждых сторон ячейки накручиваются внешние фиксаторы 7. Заполненную исследуемым веществом измерительную ячейку с помощью коаксиальных кабелей включают в измерительный тракт сверхвысокочастотного анализатора цепей. Осуществляют предварительную калибровку, которая заключается в измерении и фиксации с помощью анализатора СВЧ цепей коэффициента отражения и коэффициента передачи пустой коаксиальной измерительной ячейки. Затем, с помощью анализатора СВЧ цепей осуществляют измерение коэффициента отражения и коэффициента передачи коаксиальной измерительной ячейки, заполненной исследуемым веществом. Значения коэффициентов отражения и передачи собственно самого исследуемого диэлектрика получаются путем вычета соответствующих коэффициентов заполненной коаксиальной измерительной ячейки и пустой. Зная коэффициенты отражения и передачи электромагнитных волн, проходящих через исследуемое вещество, можно рассчитать коэффициент поглощения электромагнитных волн исследуемым веществом, а также его диэлектрическую проницаемость.
Данная конструкция позволяет проводить исследование веществ с различной диэлектрической проницаемостью, а также различного состава, включая коллоидные и эмульсионные системы в диапазоне частот до 3 ГГц. Универсальные крепления и соединительные элементы позволяют собрать измерительную ячейку с необходимым эффективным объемом и фактической длиной образца.