ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ

ВЛАГОМЕРЫ СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ

Измерения влажности твердых материалов и жидко­стей на СВЧ являются разновидностью диэлькометриче - ского метода, в которой изменения диэлектрических свойств материала оцениваются по его взаимодействию с радиоволнами дециметрового, сантиметрового и милли­метрового диапазонов. Измерения свойств диэлектриков в полях сверхвысокой частоты выполняются уже с нача­ла XX в. (метод Друде); некоторые методы (волновод - ные, с двухпроводными и коаксиальными линиями) ис­пользовались и в исследованиях влияния влажности диэлектриков (например-, нефтей) на их электрические свойства. Однако переход от лабораторных установок к влагомерам СВЧ промышленного назначения относится к 50-м годам, когда появились, влагомеры, основанные на измерениях. в свободном пространстве; одним' из пер­вых был разработанный в СССР влагомер для древесины [Л. 4-18].

В последнем десятилетии применение влагомеров СВЧ в различных областях науки и техники непрерывно растет. Важнейшими достоинствами влагомеров СВЧ яв­ляются: возможность бесконтактных измерений (в сво­бодном пространстве), высокая чувствительность, неогра­ниченный верхний предел измерений, малое влияние на результаты измерений химического состава материала и некоторых других 'факторов (см. '§ 4-4).

■При прохождении радиоволн 'СВЧ через влажный ма­териал происходят поглощение и рассеяние энергии элек­тромагнитных волн частицами вещества (влаги и сухого скелета). Для получения информации о свойствах веще­ства можно использовать параметры прошедшего или отраженного излучения. При этом конструкция и схема измерительного устройства определяются принятым спо­собом локализации поля СВЧ в исследуемом' материале.

Можно предложить следующую классификацию СВЧ методов измерения влажности:

1. Методы свободного пространства; а) с использова­нием проходящей волны; б) с использованием отражен­ной волны. В обеих модификациях измеряемой характе­ристикой могут служить затухание (модуль коэффици­ента передачи или коэффициента отражения), изменение амплитуды или фазы волны.

2. Резонаторные методы.

3. Волноводные методы.

Известны и некоторые другие методы, нашедшие пока весьма ограниченное практическое применение. К ним относятся 'Методы зондовые, поверхностной. волны, вра­щения плоскости поляризации.

Влагомеры, основанные на изменении в свободном пространстве затухания или фазового сдвига проходящей волны, иашлм наибольшее практическое применение. Исследуемый ма­териал помещается между передающей и приемной ан­теннами при нормальном падении волны. На практике обычно используются рупорные антенны, хотя возможно применение направленных излучателей и других типов, например диэлектрических стержневых антенн.

Зависимости, связывающие изменение амплитуды Аа Или фазовый сдвиг <Дкр прошедшей волны с параметрами диэлектрика, можно вывести из волнового уравнения для нормального распространения плоской - синусоидальной волны. При идеализации, соответствующей приближению геометрической оптики (без учета явлений отражения и дифракции), введение плоскопараллелыюго слоя диэлек­трика толщиной L между источником и приемником из­лучения СВЧ вызывает изменение параметров прошед­шей волны (JI. 4-19]:

L

Aa = ln (4-6)

О

L

A*=J[P(Q-Tr]tf, (4-7)

О

Где I — координата ото направлению распространения волны; £(0) и E(L) —напряженность поля для 1=0 и l='L а, '|3 — коэффициент затухания и фазовая постоян­ная, т. е. мнимая и вещественная составляющие волно­вого числа: |3+/а=у.

Из формул (4-6) и (4-7) видно, что рассматриваемый метод дает интегральную (усредненную) оценку свойств материала на пути волны. Это — важное достоинство, так как для реальных материалов характерно неравномерное распределение влаги. У этих материалов закон изменения электрических параметров по координате I, как правило, неизвестен.

Выходной величиной преобразователей влагомеров СВЧ служит фазовый сдвиг JSkp или ослабление.(затуха­ние) А. в децибелах, вносимое материалом (суммарный эффект поглощения и отражения):

А= lOlg^-, (4-8)

Где Р0 и Р — мощности падающего и прошедшего из­лучения.

Величины Ліф и А практически измеряют относительно воздуха, т. е. относительно значений, соответствующих отсутствию материала между антеннами.

Примем теперь упрощающее допущение об однород­ности исследуемого материала, определяющей независи­мость от координаты I вещественной и мнимой состав­ляющих е' и и" его комплексной диэлектрической прони­цаемости. В этих условиях выражения (4-6) и (4-7) при­нимают вид:

Aia=ictiL (4-9)

И

= (4-Ю)

Используем известные соотношения между коэффици­ентом затухания, фазовой постоянной и параметрами среды: є'; tg6=e'7Ј/ и магнитной проницаемостью р:

«^/^(^i+trs-1); (4-й)

Р=Т - VЧ (l+Vl+tgs8). (4-12)

Учитывая, что А = 101g[exp (aL)], получаем:

^^[/^(І + КїТ^-ф (4-13)

А = 19,30 Ц: У - 1), дб. (4-14)

Формулы (4-13) и (4-14) описывают связь между вы­ходными величинами преобразователя влагомера и элек­трическими параметрами материала. Из-за допущений, принятых при их выводе, они являются приближенными и не могут использоваться, например, для градуировки влагомеров. В то же время они показывают, что резуль­тат измерения влагомером ОВЧ (как по затуханию, так и по фазовому сдвигу) зависит не только от е', но и от ё" Материала; пренебречь влиянием потерь можно лишь при условии tg26<cl.

Рассмотрим теперь типовые схемы и устройство вла­гомеров данной категории. Лабораторный влагомер 132 (рис. 4-12) состоит из блоков передатчика и приемника и представляет собой устройство для измерения на фикси­рованной частоте затухания, вносимого. в волноводиый тракт образцом материала, который вводится в простран­ство между передающей и приемной рупорными антен­нами. Измерение выполняется по методам прямого пре­образования (отсчет по шкале показывающего прибора) или замещения (отсчет по шкале измерительного атте­нюатора) .

В качестве источника излучения используются чаще всего генераторы с отражательными клистронами малой

Мощности (20—60 мет). В последнее время находят при­менение также полупроводниковые генераторы, которые (при условии достаточной устойчивости) обладают неко­торыми преимуществами, в частности более низким на­пряжением питания.

Развязывающие аттенюаторы уменьшают влияние на генератор сигнала, отраженного от объекта измерения (иногда для этого применяют ферритовые вентили). Кро­ме того, они используются для регулировки приемного устройства, например, для настройки нуля по принятому эталону -(незаполненная кювета, образец материала аб­солютно сухой или с постоянной влажностью и т. д.). В приемнике можно использовать усилители постоянного тока или супергетеродиииые приемные устройства. По­следние, осуществляя усиление на промежуточной часто­те, усложняют схему влагомера (введение второго гете - родинного генератора СВЧ). Йх применение оправдано лишь в тех случаях, когда необходимо предельное по­вышение чувствительности приемника. Наиболее распро­страненным является использование модуляции колеба­ний СВЧ низкой частотой (от 50 гц до нескольких кило­герц) ; обычно применяется модуляция импульсами типа меандр. При этом в приемном устройстве используется узкополосный усилитель низкой частоты, имеющий боль­шой коэффициент усиления.

Пределы измерения зависят от мощности генератора, чувствительности приемного устройства и индикатора; в большинстве случаев они не превышают 40—50 дб.

Достоинством рассмотренной схемы является ее про­стота; как показывает анализ систематической погрешно­сти измерения [JL В-4], точность измерения можно по­высить, применяя уравновешивающее преобразование с обратной связью.

Автоматические влагомеры строят чаще все­го по двухкаиальиым схемам сравнения с опорной вол - иоводиой ветвью или с использованием опорного элек­трического сигнала. В первом варианте ІЛ. 4-20] колеба­ния СВЧ поступают к делителю энергии (волиоводиый тройник) и разветвляются по двум трактам—измери­тельному с передающей и приемной антеннами и иссле­дуемым материалом и опорному, содержащему эталон влажности, которым может служить аттенюатор, настро­енный на определенное значение влажности.

Во втором варианте опорный. сигнал получают детек­тированием части падающей энергии СВЧ. В обоих ва­риантах можно обойтись одним детектором при наличии переключающего устройства, которое, однако, усложняет схему и используется в промышленных влагомерах срав­нительно редко. Выходной сигнал (разность измеритель­ного и опорного сигналов) поступает на вход следящей системы, управляющей уравновешивающим аттенюато­ром, с „которым связан индикатор влагомера.

Указанные принципы применялись в различных моди­фикациях влагомеров СВЧ, в частности в автоматиче­ском влагомере, при проектировании которого были осу­ществлены некоторые элементы оптимизации [Л.. 4-21]. Измерительное устройство выполнено по двухкаиальной схеме с обратной связью и идентичной модуляцией в обо­их каналах. На ее выходе получают унифицированный выходной сигнал (0—10 ма постоянного тока), позволяю­щий использовать влагомер не только в виде автоном­ного устройства, ио и в сочетании с Государственной системой приборов и средств автоматизации (ГСП). В качестве уравновешивающего органа использованы по­лупроводниковые аттенюаторы, построенные на коммута­ционных кремниевых диодах с п-і-р-і-п-структуїрой. У та­ких аттенюаторов можно плавно изменять затухание в определенных пределах путем изменения силы тока уп­равления, которая Служит выходным сигналом влагоме­ра. Их преимуществами по сравнению с обычно приме­няемыми в влагомерах СВЧ аттенюаторами электромеха­нического типа являются высокая надежность вследствие отсутствия подвижных и изнашиваемых частей, .высокое быстродействие (от 1 нсек до 50 мксек), большой срок.'службы, меньшие размеры, масса и стоимость.

Выбор рабочей частоты (Л,=3,2 см) Представляет со­бой компромиссное решение. Переход к более коротким волнам повышает чувствительность влагомера; однако при этом уменьшается площадь исследуемого образца и, следовательно, его представительность, увеличиваются сложность и стоимость аппаратуры. Использование более длинных воли ухудшает метрологические свойства влаго­мера (чувствительность, погрешность от изменений со­става материала), увеличивает массу и габариты при­бора.

Блок-схема -влагомера приведена на рис. 4-13. Коле­бания СВЧ поступают от клистрониого генератора 1 через ферритовые вентили 2, 3 в передающую рупорную антенну4. После прохождения через объект измерения 5 и через антенну 6 они поступают в приемный волиовод - иый тракт, содержащий уравновешивающий полупро­водниковый аттенюатор 7 и детекторную секцию 8 для измерения прошедшей мощности. Опорный тракт содер­жит направленный ответвитель 9, ферритовый вентиль 10, Подстроечный полупроводниковый аттенюатор 11 и де­текторную секцию 12. Измерительный и опорный сиг­налы подаются на вход дифференциального усилителя 13, Выходной ток которого управляет аттенюатором 7. Цепь управления содержит выходное устройство 14, дающее унифицированный сигнал 15. На входы 16 поступают сигналы измерительных преобразователей параметров материала (температура, плотность), используемые для автоматической компенсации погрешностей от измене­ния этих параметров.

Автоматические влагомеры можно использовать для разнообразных твердых и жидких материалов, создавая непрерывный поток материала или периодически вводя его образцы в пространство между антеннами. Для этого применяются вспомогательные механические уст­ройства, задачей которых является только фиксация положения материала относительно антенны (например, в случае контроля непрерывных движущихся лент листо­вых материалов) или, кроме того, стабилизация плот­

Ности материала (сыпучие и другие дисперсные твердые материалы). Эти устройства не являются датчиками; отсутствие у них электродов существенно повышает на­дежность влагомеров СВЧ по сравнению с электровлаго­мерами других типов. При их разработке используются те же конструктивные принципы, что у вспомогательных устройств датчиков электровлагомеров (гл. 3).

Значительно меньшее применение нашли влагомеры на принципе измерения фазового сдвига Дф про­ходящей волны в свободном пространстве. Из мно­гочисленных известных методов измерения Аф на СВЧ практически используются лишь наиболее простые — мостовые. Сигнал СВЧ, модулированный низкой часто­той, разветвляется в два канала — измерительный, в ко­тором радиоволна проходит через исследуемый мате­риал, и опорный, содержащий калиброванный фазовра­щатель, позволяющий изменять фазу сигнала.

Выходные сигналы смешиваются в смесителе -(Вол - новодный тройник, направленный ответвитель и т. п.). Детектированный сигнал низкой частоты измеряется с помощью усилителя и индикатора.

С помощью фазовращателя определяют сдвиг фазы, необходимый для сиифазироваиия сигналов в обоих ка­налах; кроме того, обычно имеется возможность опреде­ления (по методу замещения) затухания в объекте из­мерения при помощи переменного измерительного атте­нюатора. Установка такого типа была применена для исследования характеристик фазового метода [Л. 4-22]. На аналогичном принципе основан СВЧ влагомер про­мышленного типа для раздельного измерения затухания и фазового сдвига на частоте 9,4 Ггц, разработанный и выпускаемый предприятием UNIPAN (ПНР) {Л. 4-23]. В схеме этого прибора сигнал, модулированный часто­той 1 кгц, поступает только в ветвь, содержащую иссле­дуемый материал, а ветвь с фазовращателем возбужда­ется непрерывным сигналом СВЧ.

Были предложены различные схемы автоматиче­ских фазовых влагомеров с использованием проходя­щей волны. В схеме с фазовым компаратором с двумя двойными тройниками и четырьмя детекторами [Л. 2-8] получают выходное. напряжение, пропорциональное раз­ности фаз измерительного и опорного каналов, без необ­ходимости применения фазовращателя.

Компенсационная схема с двойным Т-образным мостом и уравновешивающим фазовращателем для из­мерения фазового сдвига на двух различных частотах предложена в [Л. 4-24].

Некоторые исследователи рассматривают фазовый сдвиг при измерениях влажности как источник искаже­ния полезного (амплитудного) сигнала и принимают меры для подавления этой помехи. Такой подход был проявлен, например, при исследовании влажности дре­весины на волне 3,4 см [Л. 4-25]. В. лабораторной уста­новке одна из антенн могла перемещаться вдоль опти­ческой оси, и перед каждым измерением расстояние между антеннами изменяли до получения максималь­ного затухания.

Задача автоматической компенсации сигнала фазо­вого сдвига для максимизации амплитудного сигнала решена в автоматическом влагомере UNIPAN [Л. 4-26] применением ферритового фазовращателя, двух модуля-

Торов — амплитудного и фазового и двух фазовых детек­торов, работающих при частотах 225 и 1 ООО гц. Такое усложнение схемы влагомера, по нашему мнению, не оправдано, так как фазовый сигнал также содержит полезную информацию о влажности.

Многообещающим является, напротив, использование информации, содержащейся как в амплитудном, так и фазовом сигналах («двухпараметрическое измерение»).

В методе, основанном на отражении волны в свободном пространстве, также можно использо­вать амплитудные или фазовые измерения. Выходной величиной измерительного преобразователя является комплексный коэффициент отражения от исследуемого материала:

Преимуществом измерений по отражению по сравне­нию с измерениями по затуханию является односторон­нее расположение приемопередающей системы СВЧ относительно объекта измерения. Считают также, что результат измерений по отражению не зависит от тол­щины образца. В действительности это справедливо лишь для таких толщин исследуемого образца, при ко­торых волна полностью затухает, не выходя из мате­риала, и, следовательно, исключается отражение от задней поверхности образца. В этих условиях и при нормальном падении волны модуль коэффициента отра­жения R по мощности, равный отношению отраженной мощности к падающей, связан с параметрами материала зависимостью

' (I + Ve> — Je»)2

При этом, однако, зондируются только поверхност­ные слои материала и невозможно получить информа­цию об его интегральной влажности. Если объектом измерения являются тонкие листовые материалы, не имеющие значительных градиентов влажности, поверх­ностная влажность достаточно точно характеризует среднюю влажность материала. Однако в этом случае (как и у других материалов при неполном затухании волны в их объеме) приходится учитывать многократные отражения от задней ноперхности образца или от рас - 138 Положенного за ней металлического зеркала, которое иногда применяют. Выходной сигнал песет информацию об интегральной влажности материала, но зависит от его толщины.

В обоих рассмотренных случаях, особенно при ампли­тудных измерениях, на результат измерения влияют состояние и характер (неровность) отражающих поверх­ностей: этот и указанные ранее недостатки ограничи­вают применение метода отраженной волны.

Метод отражения реализуется практически следую­щими способами. При - малых потерях в материале (область очень низких влагосодержаний) нашел неко­торое применение оптический метод угла Брюстера, заключающийся в нахождении угла падения, которому соответствует минимум отражения поляризованной элек­тромагнитной волны (параллельная поляризация, при которой вектор электрического поля параллелей пло­скости падения) от плоской поверхности образца.

При потерях, близких к нулю, для угла Брюстера <рБ имеет место соотношение

S'=tgs<PB-

В методе отражения можно использовать наклонное или нормальное падение волны. Предпочтение обычно отдают нормальному падению, при котором использует­ся одна приемопередающая антенна, в то время как для наклонного падения применяются измерительные уст­ройства, основанные на оценке параметров стоячей вол­ны, возникающей в результате суперпозиции падающей и отраженной воли. Для приема отраженной волны одной совмещенной антенной можно использовать в. пол­новодном тракте направленный ответвитель или двойной тройник, позволяющие получить более высокий уровень сигнала и лучшую развязку генератора СВЧ от тракта.

На рис. 4-14 приведена мостовая схема автоматиче­ского влагомера на принципе отражения с двойным волиоводиым тройником. Генератор СВЧ 1 присоединен к Я-плечу, детектор — к £-плечу двойного тройника 2. Одно из боковых плеч имеет рупорную антенну 3, на­правленную на поверхность исследуемого материала 4. Второе плечо (опорное) содержит эталон 5 (образец материала с постоянной влажностью, согласованная на­грузка). При равенстве модулей и фаз коэффициентов отражения Rx материала и R3 эталона напряженности отраженных волн в £-плече равны и находятся в про - тивофазе; показання прибора 6, подключенного через усилитель 7 к детектору 8, равны нулю.

Если эталон идеально согласован (^э=0), а харак­теристика детектора квадратична, показания индикато­ра приблизительно пропорциональны Rx. Для нагрузки, не полностью поглощающей максимальное и

Минимальное значения мощности на детекторе будут равны:

С целью уменьшения погрешностей от рассогласо­вания генератора и детектора с плечами тройника в его ветви вводят вентили или развязывающие аттенюаторы.

Следует отметить далее, что в качестве влагомеров на принципе отражения можно применить рефлектомет-

Ры, т. е. устройства для измерения модуля коэффициен­та отражения при помощи двух однотипных направлен­ных ответвителей, расположенных таким образом, что их выходные детекторы измеряют соответственно напря­женности поля отраженной и падающей воли. Дополнив рефлектометр фазовым детектором, можно измерить также фазу коэффициента отражения исследуемого ма­териала [Л. 4-27].

Резонатор иый и волновод и ый методы в своих модификациях, применяемых для исследования диэлектриков [Л.- 2-15], требуют введения исследуемого 140 Материала в полость волновода или резонатора, т. е. накладывают ограничения на размеры образца и по су­ществу не являются бесконтактными в механическом смысле. В то же время локализация поля в полости повышает чувствительность влагомера и создает воз­можность измерения при низких влатосодержаииях и малой массе образца.

В резоиаторном методе выходными величи­нами первичного преобразователя служат вызванные введением исследуемого материала изменения парамет­ров резонатора: резонансной частоты Af—f—/о и доброт­ности AQ=-Q—Qo [/о и Qo — значения собственных (не - иагружеииых) параметров резонатора]. Для вычисления электрических свойств материала по параметрам резо­натора необходимо знать картину поля, соответствую­щую принятому типу колебаний в используемом резо­наторе.

Применение во влагомерах хорошо разработанной техники резоиаториых методов исследования диэлектри­ков встречает следующие препятствия:

А) необходимость введения в резонансную полость небольшого образца строго определенных размеров и формы исключает возможность непрерывных измерений и сильно усложняет дискретные измерения;

Б) используемые измерительные схемы, рассчитан­ные на раздельное определение е' и е", непригодны или слишком сложны для влагомеров (особенно автомати­ческих); дополнительные затруднения обусловлены уве­личением пологости и ширины резонансных кривых с ростом влажности.

Применение резонаторов обычной формы — цилин­дрических или коаксиальных — с введением образцов твердого материала или жидкостей определенного объе­ма ограничено лабораторными измерениями влажности. В цилиндрические резонаторы с колебаниями типа Е0ю образец вводится вдоль его оси в виде цилиндрического стержня малого диаметра. Цилиндрический резонатор, возбуждаемый на волне типа Нм, позволяет исследовать образцы большего диаметра и с большими потерями, имеющие форму цилиндров, катушек, пучков нитей и т. п., устанавливаемых вдоль оси резонатора, или тон­ких плоских дисков, расположенных перпендикулярно оси. Для жидкостей применяются тонкостенные кюветы, имеющие указанные выше формы. Резонаторы с коле - бамиями типа Н01 могут иметь п-одвижиой поршень для: настройки; перемещение поршня, измеренное с помощью микрометрического винта, служит выходной величиной простейшего лабораторного влагомера. Как уже ука­зывалось, описанные резонаторы непригодны для непре­рывных измерений влажности. Исключение составляет измерение потока жидкости (или сыпучего материала при условии стабилизации его расхода), пропускаемого через коаксиальную трубку из диэлектрика, установлен­ную в цилиндрическом резонаторе. При этом для сокра­щения потерь на излучение приходится ограничивать, диаметр «проточной» трубки по сравнению с диаметром резонатора, что влечет за собой уменьшение чувстви­тельности влагомера.

Наиболее подходящими для влагомеров являются открытые резонаторы, в частности их простейшая разно­видность— «щелевые» резонаторы в виде отрезков пря­моугольного волновода, в стенке которого прорезано отверстие; исследуемый материал располагается поверх, отверстия и в случае необходимости отделяется от вол­новода тонким защитным слоем диэлектрика. Такой датчик позволяет непрерывно контролировать влажность разнообразных материалов (без введения их в резонанс­ную полость) — песка, глиняного бруса и других мате­риалов [Л. В-4]. Этот же принцип применялся с прямо­угольным резонатором без одной стенки для измерения влажности листовых строительных материалов и с коак­сиальным резонатором с открытой торцовой поверх­ностью— для бумаги. Щель располагается перпендику­лярно вектору электрического поля и служит излучаю­щим элементом. Ширина щели 6 должна обеспечивать хорошее взаимодействие с материалом. В [Л. 4-28] реко­мендуется принимать 6=(l/6-i-l/4)X (л — длина волны), а величииу зазора между материалом и внешней по­верхностью щелевого резонатора, которая должна быть стабилизирована, выполнять не больше Х/4- Размеры щели, параметры резонатора и диэлектрические свойст­ва материала определяют глубину проникновения поля в материал.

Было установлено [Л. В-4], что для каждого материа­ла в заданной диапазоне влажности существует опре­деленная толщина слоя, выше которой изменения коли­чества материала (при постоянстве ето^ плотности) не влияют на результат измерения.

Измерительные устройства резонаториых Влагоме­ров можно разделить на одиорезонаторные и двухрезо- иаторные (с измерительным и опорным резонаторами). Наиболее простой и удобной для автоматических влаго­меров является измерительная схема, основанная на оценке мощности Р, проходящей через резонатор, кото­рая при резонансе пропорциональна квадрату его до­бротности. При малых сдвигах Дf резонансной частоты можно, следовательно, определить добротность 'Q запол­ненного резонатора из соотношения

QlQo=(PfP0)1/2,

Где Qo и Ро — добротность и прошедшая мощность пусто­го резонатора.

При известных параметрах резонатора (Qo=const и Ро=Const) измерение добротности Q сводится к измере­нию проходящей мощности Р. Для этого удобно приме­нить схему, основанную на сравнении величии Р0 и Р, Аналогичную рассмотренным выше схемам влагомеров по проходящей волне в свободном пространстве.

Более сложен фазовый метод измерения, основанный на оценке добротности резонатора по фазовому сдвигу. Такую схему с использованием опорного сигнала с вы­хода генератора СВЧ и вектормерного вольтметра в ка­честве индикатора имеет влагомер для бумаги (fo= =■718 Мгц) [Л. 4-29].

Двухрезонаторные схемы основаны на сравнении па­раметров измерительного резонатора и опорного, запол­ненного образцовым веществом. Схемы этого типа. при­меняются в гигрометрии СВЧ (см. § 9-1). Для изме­рения резонаториым методом влажности твердых материалов и жидкостей достаточна значительно мень­шая чувствительность, чем для газов. В связи с этим в двухрезонаторных влагомерах применяются более простые схемы, чем в гигрометрах СВЧ; схемы влаго­меров основаны на известных способах измерения пол­ных сопротивлений.

Одной из наиболее простых является мостовая схема с двойным волноводным тройником, к боковым плечам которого подключены измерительный и опорный резо­наторы.

Волноводные методы основаны на влиянии диэлектрических свойств материала, введенного в волно­вод, на характеристики, определяющие распространение радиоволи СВЧ в волноводе. Как и в ранее рассмотрен­ных методах, измеряются комплексные коэффициенты передачи и отражения, их модули или фазовые углы; измерения выполняются при помощи проходящей или отраженной волны.

Распространенные волиоводные способы измерения Е' и е" диэлектриков (методы короткого замыкаиия и холостого хода, вариации толщины образца, «бесконеч­ного» слоя и другие) нашли применсиие во многих лабораторных исследованиях зависимостей диэлектриче­ских параметров различных материалов от их влаго­содержания (см., например, [JI. 2-9 и 2-21]). Примене­ние этих методов во влагомерах нерационально, а в ав­томатических влагомерах невозможно. Более целесооб­разное решение дают измерительные схемы, аналогич­ные применяемым в методах свободного пространства и основанные на измерениях затухания или фазового сдвига. Влагомеры СВЧ данного типа имеют чувстви­тельность меньшую, чем резоиаториые. Основным препятствием для применения волноводиого метода в производственных условиях являются затруднения, связанные с введением материалов (особенно твердых) в волновод и приспособлением исследуемых образцов к размерам волновода.

Вследствие этого волиоводные влагомеры до сих пор нашли ограниченное применение в тех случаях, когда указанные затруднения преодолимы. В первую очередь это относится к жидким диэлектрикам — нефти и ее фракциям, для которых была разработана методика измерения влагосодержаиий, начиная с очень коротких длин волн, находящихся в сантиметровом и миллимет­ровом диапазонах [JI. 4-30].

В автоматическом влагомере фирмы Филипс [JI. 0-1] для иефтей клистроииый генератор (/=9,1 Ггц) питает через двойной тройник две одинаковые волиоводные ли­нии, в которых перед короткозамыкателями установлены датчики — тефлоиовые трубки, расположенные по про­дольной оси волновода. В измерительный датчик непре­рывно поступает - контролируемая нефть, опорный датчик содержит эту же нефть в обезвоженном состоянии. Сдвиг фаз между измеряемым и опорным сигналами, отраженными от обоих датчиков, измеряет фазовый де­тектор, роль которого выполняет двойной тройник с диодом. Детектированный разностный сигнал измеря­ет-ся электронным автоматическим потенциометром со шкалой, градуированной в процентах влажности.

В более позднем варианте предусмотрены два адсор­бера с твердыми сорбентами для удаления влаги из неф­ти. Адсорберы попеременно работают в режиме осушки нефти или регенерации сорбента, и в процессе измере­ний обезвоженная нефть из контролируемого трубопро­вода непрерывно поступает в опорную ячейку.

Из числа твердых материалов волиоводные влаго­меры применяют преимущественно для тонких листо­вых — бумаги и бумажного полотна, текстильных тка­ней, синтетических пленок и искусственных волокон. Материалы этого типа вводятся в прямоугольный волно­вод параллельно направлению распространения через прорези, расположенные по осям противоположных ши­роких стенок волновода; такой способ позволяет осуще­ствлять контроль непрерывно движущихся материалов.

Выходной величиной измерительного преобразова­теля может служить затухание А в материале (выра­женное в децибелах на единицу толщины материала), которое измеряют аппаратурой, сходной с применяемой в влагомерах свободного пространства. В заключение охарактеризуем кратко прочие методы СВЧ.

Метод концевых излучателей (зондов СВЧ) основан на введении в исследуемый материал зондов СВЧ раз­личного вида: открытых отрезков волновода с тонкой перегородкой из диэлектрика, одиночных или спаренных металлических штырей и диэлектрических антенн. Вы­ходными параметрами зондовых преобразователей мо­гут служить их полное сопротивление, мощность, погло­щенная материалом, и т. д.

Влагомеры с излучателями СВЧ позволяют выпол­нять «локальные» измереиия в объеме материала, рас­положенном в непосредственной близости от них. Зонды СВЧ могут иметь очень малые размеры, а известные из теории и техники антенных устройств СВЧ способы дают возможность установить нужную зону действия зонда.

Принцип вращения плоскости поляризации волны СВЧ исследуемым материалом может быть реализован достаточно просто в свободном пространстве.

В патентной литературе имеются также предложе­ния об использовании для измерений влажности твер­дых материалов, в частности бумажного полотна, по­верхностной электромагнитной волны СВЧ {J1. 4-31]".