RU2763515C1 - Устройство для измерений диэлектрических свойств материалов при высокотемпературном нагреве - Google Patents
Устройство для измерений диэлектрических свойств материалов при высокотемпературном нагреве Download PDFInfo
- Publication number
- RU2763515C1 RU2763515C1 RU2021111302A RU2021111302A RU2763515C1 RU 2763515 C1 RU2763515 C1 RU 2763515C1 RU 2021111302 A RU2021111302 A RU 2021111302A RU 2021111302 A RU2021111302 A RU 2021111302A RU 2763515 C1 RU2763515 C1 RU 2763515C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- resonator
- measuring
- materials
- temperature
- movable
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
- G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
- G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
- H01P1/00—Auxiliary devices
- H01P1/20—Frequency-selective devices, e.g. filters
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
Abstract
Изобретение относится к технике измерения относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь материалов. Устройство содержит цилиндрический резонатор из керамики с нанесенным на внутреннюю поверхность проводящим покрытием, ограниченный с одной стороны верхней стенкой резонатора с отверстиями связи, расположенной ниже торца резонатора, подвижной в полости резонатора и относительно оси резонатора, а с другой стороны подвижным нижним поршнем, установленным на полом штоке, нагреватель, измеритель температуры. Техническим результатом при реализации заявленного решения является повышение точности измерения диэлектрических параметров исследуемых материалов при высокотемпературном нагреве. 2 ил.
Description
Изобретение относится к технике измерения относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь материалов в объемном цилиндрическом резонаторе при высокотемпературном нагреве.
В опубликованных информационных источниках описаны устройства для измерения параметров диэлектриков при нагреве в объемном цилиндрическом резонаторе.
Для измерения относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь материалов использован резонансный метод (ГОСТ Р 8.623-2015) измерения в резонаторе на фиксированной частоте с применением вариации длины резонатора за счет перемещения подвижного нижнего поршня в нагреваемой части резонатора.
Известен измерительный резонатор для измерения параметров диэлектриков при нагреве в объемном цилиндрическом волноводном резонаторе на фиксированной частоте (Литовченко А.В. Высокоточный СВЧ-измеритель ε и tgδ нагреваемых образцов. Заводская лаборатория. №10, т.68, 2002.-С.35-38.), для которого применен способ измерения вариацией длины резонатора за счет перемещения подвижного нижнего поршня в нагреваемой части резонатора.
Аналогичное устройство предложено в работе (Литовченко А.В., Игнатенко Г.К. Некоторые аспекты метрологического обеспечения измерения диэлектрических свойств материалов на сверхвысокой частоте в интервале температур 20-1200°С. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. Т. 76, №8, 2010, стр. 66-69), в котором измерение диэлектрических свойств материалов на сверхвысоких частотах в интервале температур до 1200 °С проводится в резонаторе на фиксированной частоте с применением вариации длины резонатора за счет перемещения подвижного нижнего поршня в нагреваемой части резонатора.
Измерение параметров диэлектриков при нагреве в цилиндрическом резонаторе на фиксированной частоте, включает следующие операции: возбуждение колебаний в резонаторе через расположенные в верхней торцевой стенке отверстия связи, настройку пустого резонатора в резонанс при нормальных условиях и при нагреве перемещением подвижного нижнего поршня, измерение параметров резонатора, установку образца испытуемого материала, расположенного на подвижном нижнем поршне, настройку в резонанс резонатора с образцом в нормальных условиях, измерение параметров резонатора, расчет температурных параметров диэлектриков сравнением температурных параметров пустого резонатора и резонатора с образцом.
В случае измерения при нагреве происходит изменение собственных характеристик резонатора, поэтому предварительно производится измерение температурных изменений собственных параметров пустого резонатора. Измеряют температурные изменения длины резонатора L(T), длины волны в волноводе λB(T), добротности Q(T), коэффициента передачи N(T). Затем на подвижном нижнем поршне размещается образец испытуемого материала и проводится настройка резонатора с образцом в резонанс перемещением подвижного нижнего поршня до длины резонатора LS(T). При нагреве резонатора с образцом фиксируют температурные зависимости ΔL(T)=L(T)-LS(T), ΔQ(T)=Q(T)-Qs(T), ΔN(T)=N(T)-Ns(T) по которым в дальнейшем, с учетом λB(T), рассчитывают параметры диэлектрика, относительную диэлектрическую проницаемость ε(T) и тангенс угла диэлектрических потерь tgδ(T). От точности измерения температурных изменений длины резонатора L(T), длины волны в волноводе λB(T), добротности Q(T), коэффициента передачи N(T) без образца и с образцом LS(T), Qs(T), Ns(T) зависит точность определения диэлектрической проницаемости ε(T) и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ(T) материалов.
Величина разности электрических величин при измерении длины резонатора за счет перемещения подвижного нижнего поршня, то есть при измерении длины резонатора в нагреваемой зоне, вносит существенные погрешности в измерение действительных значений относительной диэлектрической проницаемости. Так как погрешность фиксируемых значений положения подвижного нижнего поршня в резонансном положении напрямую влияет на точность измерения относительной диэлектрической проницаемости, то необходимо создание идентичных условий при измерении собственных характеристик резонатора.
Наиболее близким является конструкция устройства, описанная в патенте РФ № 2631014, МПК G 01R 27/26, опубликованном 10.08.2017 (прототип), для измерения параметров диэлектриков при нагреве, содержащее цилиндрический резонатор, ограниченный с одной стороны верхней торцевой стенкой резонатора с отверстиями связи, подвижной относительно оси резонатора части резонатора и соединенной посредством ходового винта механического привода, на котором размещена траверса, одним концом закрепленная на верхней торцевой стенке, а другим концом на платформе датчика линейного перемещения, а с другой стороны подвижным нижним поршнем, установленным на полом составном штоке, закрепленным на платформе модуля линейного перемещения и соединенным с датчиком линейного перемещения, нагреватель, измеритель температуры и устройство подвода защитного газа. Устройство включает цилиндрический резонатор, состоящий из двух соосно расположенных частей: охлаждаемой и нагреваемой, соприкасающихся торцами друг с другом. В охлаждаемой, цилиндрической части резонатора расположен волновод, выполненный заодно с торцевой стенкой резонатора с отверстиями связи, а в нагреваемой цилиндрической части подвижный поршень, на котором размещен образец измеряемого материала, зафиксированный на пустотелом штоке. Нагреваемая часть резонатора отделена от охлаждаемой.
При нагреве происходят температурные деформации, которые приводят к тому, что изменяется величина зазора между охлаждаемой и нагреваемой цилиндрическими частями резонатора, что приводит к неконтролируемому изменению его электрической длины и изменению коэффициента передачи при измерении в широком температурном диапазоне и, как следствие, к увеличению погрешности измерения относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь материалов в объемном цилиндрическом резонаторе.
Задачей изобретения является повышение точности измерения диэлектрических параметров исследуемых материалов при высокотемпературном нагреве.
Это достигается тем, что заявляется устройство для измерений диэлектрических свойств материалов при высокотемпературном нагреве, содержащее цилиндрический резонатор, ограниченный с одной стороны верхней стенкой резонатора с отверстиями связи, подвижной в полости резонатора и относительно оси резонатора, а с другой стороны подвижным нижним поршнем, установленным на полом штоке, нагреватель, измеритель температуры, отличающееся тем, что цилиндрический резонатор выполнен из керамики с нанесенным на внутреннюю поверхность проводящим покрытием, при этом верхняя стенка резонатора с отверстиями связи расположена ниже торца резонатора.
Заявляемое устройство для измерения диэлектрических свойств материалов при нагреве включает необходимые конструктивные признаки, обеспечивающие проведение измерений с более высокой точностью.
Так как цилиндрической резонатор, выполненный из керамики с нанесенным на внутреннюю поверхность проводящим покрытием, имеет один торец, расположенный выше верхней стенки резонатора, с элементами связи, а другой торец, ниже подвижного нижнего поршня, то в конструкции резонатора отсутствуют зазоры в отличие от прототипа, которые изменяют свои размеры при нагреве, что приводит к неконтролируемому изменению собственных характеристик резонатора: изменению зависимости электрической длины резонатора от температуры, изменению зависимости коэффициента передачи резонатора от температуры и изменению зависимости добротности резонатора от температуры. Поэтому отсутствие зазоров позволяет повысить точность определения диэлектрических свойств материалов при нагреве.
Проведенный анализ конструкций измерительных устройств для измерения диэлектрических свойств материалов при нагреве на основе объемных цилиндрических резонаторов показал, что в них для устранения изменений собственных электродинамических характеристик резонатора в зависимости от температуры резонатор разделялся на две соосные части: не нагреваемую (охлаждаемую) и нагреваемую. Не нагреваемая часть резонатора не изменяла свои размеры при нагреве и не деформировалась, что снижало изменение собственных характеристик резонатора и повышало точность определения диэлектрической проницаемости при нагреве, но при этом остававшийся зазор между не нагреваемой и нагреваемой частями резонатора изменял свои размеры и также влиял на собственные характеристики резонатора.
Авторы провели исследование влияния температурной деформации резонатора на собственные электродинамические характеристики резонатора и установили, что при использовании резонатора из металла неопределенность измерения относительной диэлектрической проницаемости при нагреве в диапазоне от 20 до 1200° меняется от 0,5 до 5,5 %.
Поэтому в предлагаемом техническом решении для уменьшения влияния температурной деформации на собственные электродинамические характеристики резонатора предлагается применить резонатор из керамики с проводящим покрытием. При этом керамика, обладая низкой теплопроводностью, снижает отвод тепла от образца, но позволяет выполнить резонатор без зазоров.
В качестве керамического материала могут быть использованы: кварцевая керамика в виде беспористой кварцевой керамики (кварцевое стекло), обладающая коэффициентом термического расширения много меньше, чем у металлов, например стали, и составляет , а также кварцевая керамика, например, НИАСИТ, обладающая также низким коэффициентом термического расширения и неопределенность измерения диэлектрической проницаемости при применении керамического резонатора при нагреве в диапазоне от 20 до 1200° меняется от 0,5 до 0,7 %.
Важным преимуществом применения керамики в предлагаемом решении является то, что керамика по сравнению с металлами обладает более низкой теплопроводностью, что позволяет концентрировать зону максимального нагрева в месте расположения образца и значительно уменьшить температуры торцевой части резонатора, устраняя не нужный нагрев механических конструкций крепления резонатора, что повышает надежность конструкции устройства.
На фиг. 1 представлены сравнительные температурные зависимости неопределенности измерения диэлектрической проницаемости материала при нагреве для резонатора, выполненного из различных материалов. В качестве тестируемых вариантов рассмотрены резонаторы из беспористой кварцевой керамики (кварцевого стекла) с проводящим покрытием из меди толщиной 0,2 мм (кривая 2) или платины толщиной 0,2 мм (кривая 3), а также резонатор из кварцевой керамики, типа НИАСИТ, с медным покрытием 0,2 мм (кривая 4) и платины толщиной 0,2 мм (кривая 5), а для сравнения приведена неопределенность измерения диэлектрической проницаемости материала при нагреве резонатора из стали (кривая1). Кривые 2,3,4,5 незначительно отличаются друг от друга и на фиг. 1 сливаются, демонстрируя, при этом, значительное отличие от кривой 1.
Из сравнения кривых 2,3,4,5 с кривой 1 видно, что варианты изготовления резонатора из керамики с проводящим покрытием позволяют получить высокую точность при измерении диэлектрической проницаемости по сравнению с измерением диэлектрической проницаемости в диапазоне температур от 20 до 1200°С с использованием цилиндрического резонатора из стали. Медное покрытие на кварцевом стекле (кривая 2) и на НИАСИТЕ (кривая 4) позволяет проводить измерение до 900°С, а покрытие из платины на кварцевом стекле (кривая 3) и на НИАСИТе (кривая 5) до температуры 1200°С, но при этом покрытие на кварцевом стекле более надежно.
На фиг. 2 представлена конструкция устройства для измерений диэлектрических свойств материалов при высокотемпературном нагреве, содержащего цилиндрический резонатор 5, выполненный из керамики с нанесенным на внутреннюю поверхность проводящим покрытием ,один торец которого располагается выше верхней стенки резонатора с отверстиями связи 1, а другой торец ниже подвижного нижнего поршня 2 с установленным на нем образцом 6, ограниченный с одной стороны верхней торцевой стенкой резонатора с отверстиями связи 1, подвижной относительно оси резонатора, а с другой стороны подвижным нижним поршнем 2, установленным на полом штоке 3 и нагреватель 4.
Устройство работает следующим образом. При проведении измерений образец испытуемого материала 6 располагается на поршне 2 в цилиндрическом резонаторе, образованном подвижной верхней торцевой стенкой с отверстиями связи 1, нижним поршнем 2 и резонатором из керамики, с проводящим покрытием 5. При проведении измерений образец испытуемого материала 6 нагревается с помощью нагревателя 4, а резонатор настраивается в резонанс передвижением верхней торцевой стенки с отверстиями связи 1 до достижения резонансной длины, величина которой фиксировалась в зависимости от температуры, измеряемой пирометром на нижней стороне поршня 3. Далее производится расчет диэлектрической проницаемости материала образца по измеренным величинам.
Изобретение позволяет обеспечить повышение точности измерений диэлектрических свойств материалов при высокотемпературном нагреве в объемном цилиндрическом резонаторе за счет устранения зазоров в резонаторе.
Claims (1)
- Устройство для измерений диэлектрических свойств материалов при высокотемпературном нагреве, содержащее цилиндрический резонатор, ограниченный с одной стороны верхней стенкой резонатора с отверстиями связи, подвижной в полости резонатора и относительно оси резонатора, а с другой стороны подвижным нижним поршнем, установленным на полом штоке, нагреватель, измеритель температуры, отличающееся тем, что цилиндрический резонатор выполнен из керамики с нанесенным на внутреннюю поверхность проводящим покрытием, при этом верхняя стенка резонатора с отверстиями связи расположена ниже торца резонатора.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021111302A RU2763515C1 (ru) | 2021-04-21 | 2021-04-21 | Устройство для измерений диэлектрических свойств материалов при высокотемпературном нагреве |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021111302A RU2763515C1 (ru) | 2021-04-21 | 2021-04-21 | Устройство для измерений диэлектрических свойств материалов при высокотемпературном нагреве |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2763515C1 true RU2763515C1 (ru) | 2021-12-29 |
Family
ID=80039897
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2021111302A RU2763515C1 (ru) | 2021-04-21 | 2021-04-21 | Устройство для измерений диэлектрических свойств материалов при высокотемпературном нагреве |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2763515C1 (ru) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7075314B2 (en) * | 2003-03-31 | 2006-07-11 | Tdk Corporation | Method and apparatus for measuring complex dielectric constant of dielectric |
RU2453856C1 (ru) * | 2011-02-22 | 2012-06-20 | Открытое акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" (ОАО "ОНПП "Технология") | Устройство для определения диэлектрической проницаемости образца материала при воздействии внешних факторов |
CN202305678U (zh) * | 2011-10-21 | 2012-07-04 | 武汉普斯特仪器有限公司 | 高温介电测量装置 |
RU2631014C2 (ru) * | 2016-02-05 | 2017-09-15 | Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г. Ромашина" | Способ измерения параметров диэлектриков при нагреве и устройство для его осуществления |
CN110780124A (zh) * | 2019-11-11 | 2020-02-11 | 青岛兴仪电子设备有限责任公司 | 一种高温环境太赫兹材料介电特性测量装置及方法 |
RU2744487C1 (ru) * | 2020-07-07 | 2021-03-10 | Акционерное общество «Обнинское научно-производственное предприятие «Технология» им. А.Г.Ромашина» | Устройство для измерения диэлектрических свойств материалов при нагреве |
-
2021
- 2021-04-21 RU RU2021111302A patent/RU2763515C1/ru active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7075314B2 (en) * | 2003-03-31 | 2006-07-11 | Tdk Corporation | Method and apparatus for measuring complex dielectric constant of dielectric |
RU2453856C1 (ru) * | 2011-02-22 | 2012-06-20 | Открытое акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" (ОАО "ОНПП "Технология") | Устройство для определения диэлектрической проницаемости образца материала при воздействии внешних факторов |
CN202305678U (zh) * | 2011-10-21 | 2012-07-04 | 武汉普斯特仪器有限公司 | 高温介电测量装置 |
RU2631014C2 (ru) * | 2016-02-05 | 2017-09-15 | Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г. Ромашина" | Способ измерения параметров диэлектриков при нагреве и устройство для его осуществления |
CN110780124A (zh) * | 2019-11-11 | 2020-02-11 | 青岛兴仪电子设备有限责任公司 | 一种高温环境太赫兹材料介电特性测量装置及方法 |
RU2744487C1 (ru) * | 2020-07-07 | 2021-03-10 | Акционерное общество «Обнинское научно-производственное предприятие «Технология» им. А.Г.Ромашина» | Устройство для измерения диэлектрических свойств материалов при нагреве |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Horner et al. | Resonance methods of dielectric measurement at centimetre wavelengths | |
Schneider et al. | Wide range dielectric spectroscopy on glass-forming materials: an experimental overview | |
CN102393490B (zh) | 一种介质材料高温复介电常数测量装置 | |
US20050225332A1 (en) | Resonator housing for microwaves | |
CN111157802B (zh) | 一种高损耗材料微波介电性能的高精度测试方法 | |
Dryagin et al. | A method to measure dielectric parameters in 5–0.5 millimeter wavelength band | |
RU2763515C1 (ru) | Устройство для измерений диэлектрических свойств материалов при высокотемпературном нагреве | |
Sklavounos et al. | Liquid-permittivity measurements using a rigorously modeled overmoded cavity resonator | |
RU2631014C2 (ru) | Способ измерения параметров диэлектриков при нагреве и устройство для его осуществления | |
Krupka et al. | Use of Whispering-Gallery Modes and Quasi-${\rm TE} _ {0 {np}} $ Modes for Broadband Characterization of Bulk Gallium Arsenide and Gallium Phosphide Samples | |
US5039948A (en) | Apparatus for measuring electromagnetic characteristics of a very high temperature material | |
JP4436724B2 (ja) | 誘電定数測定法及び同軸共振器 | |
US20060056488A1 (en) | Method and apparatus for measuring temperature with the use of an inductive sensor | |
RU2552106C1 (ru) | Свч-способ определения диэлектрической проницаемости и толщины покрытий на металле | |
Ivanchenko et al. | Modified cavity perturbation method for high‐precision measurements of complex permittivity throughout the Х‐band | |
Yu et al. | A temperature sensor based on a whispering gallery mode resonator | |
RU2795249C1 (ru) | Способ определения диэлектрических свойств деструктирующих материалов при нагреве | |
RU2811857C1 (ru) | Способ определения диэлектрических свойств деструктирующих материалов при нагреве | |
RU2637174C1 (ru) | Способ определения диэлектрической проницаемости диэлектрических материалов | |
CN109239457B (zh) | 微波表面电阻连续频谱测试装置 | |
RU2813651C1 (ru) | Способ определения диэлектрических свойств деструктирующих материалов при нагреве | |
Penrose | Some measurements of the permittivity and power factor of low loss solids at 25,000 Mc./sec. frequency | |
CN111351807A (zh) | 使用近场微波的介电谱显微测量 | |
JP3561141B2 (ja) | 線膨張係数の測定方法 | |
Peng et al. | Design and Fabrication of 3-D Printed RF Temperature Sensor Based on Microwave Coaxial Resonator |