WO2015041568A1

WO2015041568A1 - Method for measuring the physical parameters of a material

Info

Publication number: WO2015041568A1
Application number: PCT/RU2013/001028
Authority: WO
Inventors: Олег Креонидович СИЗИКОВ
Original assignee: Олег Креонидович СИЗИКОВ
Priority date: 2013-09-23
Filing date: 2013-11-18
Publication date: 2015-03-26
Also published as: RU2013143105A; RU2571301C2

Abstract

The technical solution relates to measurement technology and is intended for measuring the dielectric permittivity and moisture content of a material. The method includes measuring the voltage of a probing signal at an input circuit of a primary transducer, which can be filled with the material to be controlled, the primary transducer being in the form of a segment of a long line, the end of which is short-circuited. The voltage is measured simultaneously at two points: directly at the transducer input and at a resistor which is located between a generator and the transducer. The generator is tuned, in discrete steps, within a range of frequencies. At each step, a ratio of the voltage at the input of the primary transducer to the voltage at the input of an element is measured, and the minimum of this ratio is used for determining harmonic frequencies when the primary transducer is filled with air and when the primary transducer is filled with the material to be controlled. The values of a plurality of harmonic frequencies are used for calculating a real component of the refractive index of the material. An imaginary component of the refractive index is calculated in accordance with the ratio of the voltage at the input of the primary transducer to the voltage at the input of the resistor. Then the moisture content and other physical parameters which affect the refractive index are determined. The technical result is an increase in measurement accuracy and a broadening of functional capabilities.

Description

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МАТЕРИАЛА METHOD FOR MEASURING PHYSICAL PARAMETERS OF MATERIAL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ FIELD OF TECHNOLOGY

Техническое решение относится к измерительной технике и предназначено для измерения диэлектрической проницаемости и влажности материалов. Техническое решение может быть также применено для контроля концентрации смеси веществ, плотности и других физических параметров, влияющих на диэлектрическую The technical solution relates to measuring technique and is intended to measure the dielectric constant and humidity of materials. The technical solution can also be applied to control the concentration of a mixture of substances, density and other physical parameters that affect the dielectric

проницаемость. permeability.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ BACKGROUND

Из описания к патенту РФ на изобретение N° 2365903 известен способ измерения физических параметров материала, при котором в измерительной длинной линии с оконечным первичным преобразователем, содержащим контролируемый материал, возбуждают с помощью генератора электромагнитные волны и принимают волны, отраженные от входа первичного преобразователя, измеряют их мощность относительно мощности падающих волн, а также измеряют температуру контролируемого материала, генератор перестраивают в диапазоне частот, при перестройке определяют значение экстремума относительной мощности отраженных волн и соответствующей ему частоты для контролируемого материала, сопоставляют эти значения с совокупностью значений экстремума и его частоты, измеренных для материала с известными параметрами, и по полученным результатам судят о физических параметрах контролируемого материала. From the description of the RF patent for invention N ° 2365903, a method for measuring the physical parameters of a material is known, in which, in a long measuring line with a terminal primary transducer containing a controlled material, electromagnetic waves are excited by a generator and waves reflected from the input of the primary transducer are received, they are measured power relative to the power of the incident waves, and also measure the temperature of the material being monitored, the generator is tuned in the frequency range, during tuning, the value extremum of the relative power of the reflected waves and the corresponding frequency for the test material, these values are compared with the set values of the extremum and its frequency measured for the material with known parameters and the obtained results are judged on the physical parameters of the test material.

Как отмечено в описании к указанному патенту, первичный преобразователь выполнен в виде отрезка длинной линии. На конце этот отрезок выполнен As noted in the description of the specified patent, the primary Converter is made in the form of a segment of a long line. At the end, this segment is made

короткозамкнутым, а на его входе имеется стык с измерительной линией, благодаря чему преобразователь является резонатором. Добротность резонатора зависит от short-circuited, and at its input there is a junction with the measuring line, so that the converter is a resonator. The quality factor of the resonator depends on

диэлектрических потерь в контролируемом материале и от коэффициента связи резонатора с измерительной линией. Для материалов с большими диэлектрическими потерями добротность резонатора низкая и резонанс выражен слабо. Для контроля таких материалов приходится увеличивать коэффициент связи преобразователя с измерительной линией, но в этом случае первичный преобразователь теряет свойства резонатора и частота экстремума сдвигается относительно резонансной частоты, при которой на длине преобразователя «укладывается» целое число полуволн. Экстремум (минимум) мощности отраженных волн достигается на частоте, на которой входное сопротивление dielectric losses in the controlled material and on the coupling coefficient of the resonator with the measuring line. For materials with large dielectric losses, the Q factor of the resonator is low and the resonance is weakly expressed. To control such it is necessary to increase the coupling coefficient of the transducer with the measuring line, but in this case the primary transducer loses the properties of the resonator and the extremum frequency shifts relative to the resonant frequency, at which an integer number of half-waves “fits” along the length of the transducer. The extreme (minimum) power of the reflected waves is achieved at a frequency at which the input impedance

преобразователя наиболее близко к волновому сопротивлению измерительной линии. Но входное сопротивление преобразователя зависит от множества параметров: the transducer is closest to the impedance of the measuring line. But the input impedance of the converter depends on many parameters:

действительной составляющей показателя преломления материала, диэлектрических потерь, конструкции стыка измерительной линии с первичным преобразователем, а также от волновых сопротивлений. Поэтому по измеренному в данном способе значению частоты экстремума невозможно определить показатель преломления непосредственно. Измерения производят путем сопоставления результатов измерения с градуировочными характеристиками устройства измерения— совокупностью значений экстремума и его частоты, измеренных в этом же устройстве для эталонного материала с известными параметрами. the real component of the refractive index of the material, dielectric loss, the design of the junction of the measuring line with the primary transducer, as well as wave impedances. Therefore, it is impossible to determine the refractive index directly from the value of the extremum frequency measured in this method. Measurements are made by comparing the measurement results with the calibration characteristics of the measuring device — a set of extreme values and its frequencies measured in the same device for a reference material with known parameters.

Из-за указанных факторов данный способ измерения физических параметров материалов, обладающих диэлектрическими потерями, имеет низкую точность. Due to these factors, this method of measuring the physical parameters of materials having dielectric losses has low accuracy.

Из описания к патенту США 7944220 известен способ измерения физических параметров материала, при котором измеряют напряжения зондирующего сигнала во входной цепи первичного преобразователя, выполненного в виде отрезка длинной линии с не менее чем двумя проводниками и заполняемого контролируемым материалом, причем зондирующий сигнал формируется генератором, между генератором и входом первичного преобразователя включены сенсорный элемент, имеющий активное сопротивление, и согласующий элемент, имеющий комплексное сопротивление. Напряжения From the description of US Pat. and a sensor element having active resistance and a matching element having complex resistance are included in the input of the primary converter. Stress

зондирующего сигнала измеряют с помощью двух или трех детекторов, один из которых включен в точке между генератором и сенсорным элементом на входе этого элемента, второй детектор включен на входе первичного преобразователя, третий детектор включен между сенсорным элементом и согласующим элементом. Измерения напряжений выполняют поочередно при заполнении первичного преобразователя эталонным материалом с известными параметрами и при заполнении первичного преобразователя контролируемым материалом. the probe signal is measured using two or three detectors, one of which is connected at a point between the generator and the sensor element at the input of this element, a second detector is connected at the input of the primary transducer, a third detector is connected between the sensor element and the matching element. The voltage measurements are performed alternately when the primary converter is filled with a reference material with known parameters and when the primary converter is filled with controlled material.

В данном способе измерения выполняют на фиксированной частоте зондирующего сигнала. Заполняют первичный преобразователь эталонным материалом и подстраивают комплексное сопротивление согласующего элемента так, чтобы напряжение на входе согласующего элемента было близко к минимуму. Затем заполняют преобразователь контролируемым материалом и по изменению напряжения на входе согласующего элемента судят о влажности материала. Измерения по данному способу возможны только в узком динамическом диапазоне измеряемых параметров, при которых уход частоты минимума не превышает ширины амплитудно-частотной характеристики. Недостатком данного способа также является и необходимость подстройки согласующего элемента. Так как точность измерения амплитуды высокочастотных сигналов по сравнению с точностью измерения частоты сравнительно низкая, то точность измерения физических параметров материала по этому способу также снижена. In this method, measurements are performed at a fixed frequency of the probe signal. The primary converter is filled with reference material and the complex resistance of the matching element is adjusted so that the voltage at the input of the matching element is close to a minimum. Then, the converter is filled with controlled material and the moisture content of the material is judged by the change in voltage at the input of the matching element. Measurements by this method are possible only in a narrow dynamic range of measured parameters at which the minimum frequency drift does not exceed the width of the amplitude-frequency characteristic. The disadvantage of this method is the need to adjust the matching element. Since the accuracy of measuring the amplitude of high-frequency signals in comparison with the accuracy of measuring frequency is relatively low, the accuracy of measuring the physical parameters of the material by this method is also reduced.

Устройство измерения, реализующее данный способ, должно быть отградуировано на эталонных образцах материала с известными параметрами. Данный способ, как и предыдущий, позволяет определить показатель преломления материала только путем сравнения с результатами измерений эталонных материалов. A measuring device that implements this method should be calibrated on standard samples of material with known parameters. This method, like the previous one, allows you to determine the refractive index of a material only by comparing it with the results of measurements of reference materials.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ SUMMARY OF THE INVENTION

Целью предлагаемого технического решения является повышение точности измерений физических параметров материала и расширение функциональных The aim of the proposed technical solution is to increase the accuracy of measurements of the physical parameters of the material and the expansion of functional

возможностей, в том числе: - расширение динамического диапазона измеряемых параметров, обеспечение измерения влажности (массовой доли влаги) во всем диапазоне от 0 до 100%; features including: - expanding the dynamic range of the measured parameters, ensuring the measurement of humidity (mass fraction of moisture) in the entire range from 0 to 100%;

- обеспечение измерения материалов с высокими диэлектрическими потерями, в том числе обладающих проводимостью, при сохранении точности; - ensuring the measurement of materials with high dielectric losses, including those with conductivity, while maintaining accuracy;

- обеспечение измерения показателя преломления материала прямым методом; - providing measurement of the refractive index of the material by a direct method;

- исключение необходимости использования эталонных образцов материала для градуировки устройства, реализующего указанный способ. - eliminating the need to use reference samples of material for graduation of a device that implements the specified method.

Поставленная цель в предлагаемом способе измерения физических параметров материала, при котором измеряют напряжения зондирующего сигнала во входной цепи первичного преобразователя, выполненного в виде отрезка длинной линии с не менее чем двумя проводниками и заполняемого контролируемым материалом, причем зондирующий сигнал формируется генератором, между генератором и входом первичного The goal in the proposed method of measuring the physical parameters of the material, in which the voltage of the probe signal in the input circuit of the primary transducer is measured, made in the form of a long line segment with at least two conductors and filled with a controlled material, the probe signal being generated by the generator between the generator and the primary input

преобразователя включен элемент, имеющий активное сопротивление, а напряжения зондирующего сигнала измеряют с помощью двух детекторов, один из которых включен в точке между генератором и элементом на входе элемента, а второй включен the transducer includes an element with active resistance, and the voltages of the probe signal are measured using two detectors, one of which is connected at the point between the generator and the element at the input of the element, and the second

непосредственно на входе первичного преобразователя, достигается тем, что directly at the input of the primary Converter is achieved by the fact that

генератор перестраивают в диапазоне частот дискретными шагами, на каждом шаге перестройки вычисляют отношение напряжения на входе первичного преобразователя к напряжению на входе элемента и по минимальным значениям указанных отношений определяют частоты гармоник, характеризующихся тем, что на частоте гармоники входное сопротивление первичного преобразователя достигает минимума. Измерения частот указанных гармоник выполняют поочередно при заполнении первичного преобразователя воздухом и при заполнении первичного преобразователя the generator is tuned in the frequency range in discrete steps, at each step of the tuning, the ratio of the voltage at the input of the primary converter to the voltage at the input of the element is calculated and the harmonic frequencies are determined by the minimum values of these ratios, characterized in that at the harmonic frequency the input resistance of the primary converter reaches a minimum. Frequency measurements of these harmonics are performed alternately when filling the primary converter with air and when filling the primary converter

контролируемым материалом, причем первичный преобразователь выполнен controlled material, and the primary Converter is made

короткозамкнутым на конце. По полученным в результате указанных измерений значениям частот гармоник определяют физические параметры материала. Необходимо отметить, что частоту гармоники определяют по минимуму short-circuited at the end. From the values of harmonics frequencies obtained as a result of these measurements, the physical parameters of the material are determined. It should be noted that the harmonic frequency is determined by the minimum

отношения напряжения на входе первичного преобразователя к напряжению на входе элемента, так как указанное отношение достигает минимума при минимальном значении входного сопротивления первичного преобразователя. the ratio of the voltage at the input of the primary converter to the voltage at the input of the element, since the specified ratio reaches a minimum with a minimum value of the input resistance of the primary converter.

Измерения выполняют по шагам на дискретных частотах, результаты измерений запоминают, это позволяет выделить частоты, расположенные вокруг частоты гармоники, на которых значения отношения напряжений одинаковы. Поставленная цель достигается также тем, что в предложенном способе частоту гармоники определяют путем вычисления среднего значения двух частот, характеризующихся тем, что значения отношения напряжений на этих частотах равны, одна из этих частот находится ниже частоты гармоники, а вторая частота превышает частоту гармоники. Measurements are performed in steps at discrete frequencies, the measurement results are stored, this allows you to select the frequencies located around the harmonic frequency, at which the values of the voltage ratio are the same. This goal is also achieved by the fact that in the proposed method, the harmonic frequency is determined by calculating the average value of two frequencies, characterized in that the voltage ratio at these frequencies are equal, one of these frequencies is below the harmonic frequency, and the second frequency exceeds the harmonic frequency.

Другой вариант нахождения частоты гармоники состоит в том, что по измеренным отношениям напряжений для дискретных частот формируют аппроксимирующую математическую функцию и значение частоты гармоники определяют путем вычисления минимума этой функции. Этот вариант нахождения частоты гармоники позволяет уменьшить количество дискретных частот, на которых выполняют измерения, за счет увеличения шага перестройки частоты, и тем самым сократить время измерения. Another option for finding the harmonic frequency is that from the measured voltage ratios for the discrete frequencies, an approximating mathematical function is formed and the value of the harmonic frequency is determined by calculating the minimum of this function. This variant of finding the harmonic frequency allows one to reduce the number of discrete frequencies at which measurements are performed by increasing the frequency tuning step, and thereby reduce the measurement time.

При использовании аппроксимирующей функции поставленная цель достигается также тем, что в предложенном способе определяют отношения напряжений для дискретных частот путем многократных измерений отношения отдельно на каждой из этих частот и их усреднения по времени. Усреднение измеренных отношений позволяет исключить влияние на результаты измерений импульсных помех, вызванных, например, прохождением лопаток вблизи первичного преобразователя при измерении в When using the approximating function, the goal is also achieved by the fact that in the proposed method, the stress ratios for discrete frequencies are determined by repeatedly measuring the ratios separately for each of these frequencies and their averaging over time. Averaging the measured ratios eliminates the effect on the measurement results of impulse noise caused, for example, by the passage of the blades near the primary transducer when measuring in

бетоносмесителе. concrete mixer.

Поставленная цель достигается также тем, что в предложенном способе This goal is also achieved by the fact that in the proposed method

определяют действительную составляющую показателя преломления материала по значениям частот не менее чем двух гармоник, измеренных при заполнении первичного преобразователя поочередно контролируемым материалом и воздухом. По величине отношения напряжения на входе первичного преобразователя к напряжению на входе элемента, измеренных при заполнении преобразователя материалом, и сопротивлению элемента вычисляют мнимую составляющую показателя преломления материала. Причем для определения мнимой составляющей измерения выполняют на частоте нижней, но не нулевой гармоники, например, на частоте первой гармоники. determine the real component of the refractive index of the material frequency values of at least two harmonics measured when the primary converter is filled with alternately controlled material and air. Using the ratio of the voltage at the input of the primary converter to the voltage at the input of the element, measured when the converter is filled with material, and the resistance of the element, the imaginary component of the refractive index of the material is calculated. Moreover, to determine the imaginary component, measurements are performed at the frequency of the lower, but not zero harmonic, for example, at the frequency of the first harmonic.

Значение действительной составляющей показателя преломления материала определяют прямым методом— непосредственно по измеренным частотам без The value of the real component of the refractive index of the material is determined by the direct method — directly from the measured frequencies without

необходимости градуировки устройства, реализующего способ. По результатам измерения показателя преломления вычисляют диэлектрическую проницаемость материала или другие физические параметры, связанные с показателем преломления. Для нахождения влажности кроме показателя преломления измеряют также температуру материала. the need for graduation of a device that implements the method. According to the results of measuring the refractive index, the dielectric constant of the material or other physical parameters associated with the refractive index are calculated. To find moisture, in addition to the refractive index, the temperature of the material is also measured.

Определяют влажность на основе таблиц или соотношений, составленных для каждого вида материала и представляющих собой зависимости действительной составляющей показателя преломления материала от его влажности при разных температурах. Отметим, что устройство измерения, реализующее данный способ, не нуждается в градуировке по эталонным материалам. Для определения влажности материала необходимы лишь данные по самому материалу. Результаты измерений влажности не зависят от конструктивных особенностей устройства, например, от размеров его преобразователя. Humidity is determined on the basis of tables or ratios compiled for each type of material and representing the dependences of the real component of the refractive index of the material on its humidity at different temperatures. Note that the measuring device that implements this method does not need to be calibrated according to reference materials. To determine the moisture content of the material, only data on the material itself is needed. The humidity measurement results do not depend on the design features of the device, for example, on the dimensions of its converter.

действительную составляющую показателя преломления материала определяют по значениям частот не менее чем двух гармоник, при этом для каждой из гармоник, за исключением нулевой, определяют отношение ее частоты, измеренной при заполнении первичного преобразователя воздухом, к ее частоте, измеренной при заполнении первичного преобразователя контролируемым материалом, определяют среднее значение указанных отношений и по нему вычисляют действительную составляющую показателя преломления материала. the real component of the refractive index of the material is determined by the values of the frequencies of at least two harmonics, while for each of the harmonics, with the exception of zero, the ratio of its frequency measured when the primary converter is filled with air to its frequency measured when the primary converter is filled with controlled material is determined, determine the average value these relations and on it calculate the real component of the refractive index of the material.

Указанное среднее значение отношений вычисляют как среднее арифметическое:

The indicated average value of the relations is calculated as the arithmetic mean:

где Where

П действительная составляющая показателя преломления материала; P is the real component of the refractive index of the material;

т— количество измеренных гармоник;

частоты гармоники с номером О при заполнении первичного преобразователя, соответственно, воздухом и контролируемым материалом. t is the number of measured harmonics;

frequency of harmonic with number O when filling the primary transducer, respectively, with air and controlled material.

Указанное среднее значение отношений также может быть вычислено как среднее геометрическое:

The indicated average value of the relations can also be calculated as geometric mean:

Указанное среднее значение отношений также может быть вычислено как среднее квадратическое: The indicated average value of the relations can also be calculated as the quadratic mean:

Различия в результатах вычислений по этим выражениям, как показала Differences in the calculation results for these expressions, as shown

экспериментальная проверка, пренебрежимо малы. Необходимо отметить, что номер гармоники I — это количество полуволн напряжения, «укладывающихся» на длине отрезка линии передачи первичного experimental verification, negligible. It should be noted that the harmonic number I is the number of half-waves of voltage that “fit” along the length of the segment of the primary transmission line

преобразователя . transducer.

Альтернативный метод определения параметров материала по результатам измерения частот нескольких гармоник основывается на вычислении разности этих частот. Действительную составляющую показателя преломления материала определяют по значениям частот не менее чем двух гармоник с помощью следующего An alternative method for determining material parameters from measurements of frequencies of several harmonics is based on calculating the difference of these frequencies. The real component of the refractive index of the material is determined by the frequency values of at least two harmonics using the following

математического выражения:

mathematical expression:

где Where

1— действительная составляющая показателя преломления материала; I , J — номера гармоник, причем ^ ^ J ; 1 - the real component of the refractive index of the material; I, J - harmonic numbers, moreover ^ ^ J;

Ji , Jj — частоты гармоник с номерами ^ , J при заполнении первичного преобразователя контролируемым материалом; Ji, Jj - harmonics frequencies with numbers ^, J when filling the primary converter with controlled material;

Ji ' , j— частоты гармоник с номерами ί , J при заполнении первичного преобразователя воздухом. Ji ', j — harmonics frequencies with numbers ί, J when filling the primary converter with air.

Путем вычисления разности частот уменьшают аддитивную ошибку измерения частоты каждой из гармоник. Причем если номера гармоник I , J отличаются больше, чем на единицу, то вычисления по приведенному математическому выражению By calculating the frequency difference, the additive measurement error of the frequency of each harmonic is reduced. Moreover, if the harmonic numbers I, J differ by more than one, then the calculations using the above mathematical expression

эквивалентны нахождению среднего значения разностей соседних частот всех equivalent to finding the average of the differences in the neighboring frequencies of all

измеренных гармоник. С увеличением числа измеряемых гармоник уменьшается погрешность measured harmonics. With an increase in the number of measured harmonics, the error decreases

определения показателя преломления. Для произвольного числа (но не меньшего двух) измеренных гармоник последнее приведенное математическое выражение принимает вид: determination of the refractive index. For an arbitrary number (but not less than two) of measured harmonics, the last mathematical expression given takes the form:

(/,·-//)+(/,:,- /)+-+(/,:,-/;)(/, · - //) + (/,:, - /) + - + (/,:, - /;)

(. :" ,/^'," ) + (.С" - /," ) + -- (/,^''.„ - ./^':" ) ^' (.: ", / ^' ,") + (.С "- /,") + - (/, ^' '. „- ./ ^' :") ^'

Мнимую составляющую показателя преломления материала вычисляют с помощью следующего математического выражения:

The imaginary component of the refractive index of the material is calculated using the following mathematical expression:

где к , 1— мнимая и действительная составляющие показателя преломления материала; и э^мл, V п^мп— напряжения зондирующего сигнала на частоте первой гармоники, измеренные, соответственно, на входе элемента и на входе первичного преобразователя при заполнении первичного преобразователя контролируемым материалом; эл— омическое сопротивление элемента; Л—число 3,14159...; f — волновое сопротивление отрезка длинной линии первичного where k, 1 is the imaginary and real components of the refractive index of the material; and e ^m n, V n ^m n probing voltage signal at the frequency of the first harmonic, measured respectively by the input member and the inlet of the primary device when filling the primary converter controlled pictures; electric resistance of an element; L is the number 3.14159 ...; f is the wave impedance of the segment of the long line of the primary

преобразователя, заполненного воздухом. transducer filled with air.

Отметим, что выражение в квадратных скобках представляет собой входное сопротивление ^_вх первичного преобразователя на частоте гармоники:

Note that the expression in square brackets represents the input impedance ^ _in x of the primary transducer at the harmonic frequency:

По действительной У1 и мнимой к составляющим показателя преломления материала вычисляют комплексную диэлектрическую проницаемость— ее Using the real Y1 and imaginary component of the refractive index of the material, the complex permittivity is calculated — its

I I I I I I

действительную о и мнимую £ составляющие— с помощью следующих real o and imaginary £ components — using the following

математических выражений:

ε" = Ink. mathematical expressions:

ε "= Ink.

Особенность предлагаемого способа состоит в том, что измерение амплитуд сигналов заменено измерением частот, что повышает точность измерений. A feature of the proposed method is that the measurement of signal amplitudes is replaced by frequency measurement, which increases the accuracy of the measurements.

Вторая особенность предлагаемого способа состоит в том, что измерение частот выполняют при минимуме входного сопротивления и определяют этот минимум путем измерения напряжения непосредственно на входе преобразователя. Такое решение практически полностью исключает влияние на результаты измерения конструкции стыка и паразитных реактивностей на входе первичного преобразователя. Последнее из упомянутых обстоятельство следует раскрыть подробнее: так как измерения производятся при минимуме входного сопротивления, то низкое входное сопротивление шунтирует паразитные реактивности, вносимые в точку измерения конструкцией стыка и элементами тракта. Указанное шунтирование обуславливает достижение высокой точности The second feature of the proposed method is that the frequency measurement is performed with a minimum input resistance and determine this minimum by measuring the voltage directly at the input of the Converter. Such a solution almost completely eliminates the influence on the results of measurements of the joint structure and spurious reactances at the input of the primary transducer. The last circumstance mentioned should be disclosed in more detail: since measurements are made with a minimum of input resistance, a low input resistance shunts spurious reactances introduced to the measurement point by the joint structure and path elements. The specified bypass leads to the achievement of high accuracy

измерений. measurements.

На измеряемые по данному способу частоты гармоник не влияют величины волнового сопротивления первичного преобразователя и подводящей сигнал линии передачи (кабеля). Еще одна особенность предлагаемого способа состоит в том, что при измерении определяют частоты нескольких гармоник. Это также обеспечивает преимущество предлагаемого способа перед известными. Измерение частот нескольких гармоник, как показали результаты экспериментов, позволяет скомпенсировать ошибки, получаемые при измерении каждой из гармоник в отдельности и вызванные, например, неоднородным заполнением первичного преобразователя или неоднородным распределением влажности по объему преобразователя. Необходимая в большинстве практических случаев точность достигается при использовании в вычислениях значений частот нижних двух-трех гармоник. The harmonic frequencies measured by this method are not affected by the wave impedance of the primary transducer and the transmission line (cable) supplying the signal. Another feature of the proposed method is that when measuring determine the frequency of several harmonics. This also provides the advantage of the proposed method over the known. The measurement of the frequencies of several harmonics, as shown by the results of experiments, makes it possible to compensate for the errors obtained when measuring each harmonic separately and caused, for example, by a nonuniform filling of the primary transducer or an inhomogeneous distribution of humidity over the transducer volume. The accuracy required in most practical cases is achieved by using the frequencies of the lower two or three harmonics in calculations.

Особенностью предлагаемого способа также является измерение комплексного показателя преломления, то есть определяют не только действительную, но и мнимую составляющие этого параметра. A feature of the proposed method is also the measurement of the complex refractive index, that is, they determine not only the real, but also the imaginary components of this parameter.

Существенным признаком способа является выполнение измерений посредством первичного преобразователя с короткозамкнутыми на конце проводниками. В таком преобразователе устранено влияние на измерения паразитной емкости на конце линии передачи, характерное для преобразователей с разомкнутыми проводниками. Благодаря замыканию обеспечивается возможность определения действительной составляющей показателя преломления непосредственно, без градуировки на эталонных материалах устройства, реализующего данный способ. An essential feature of the method is the measurement by means of a primary converter with conductors short-circuited at the end. In such a converter, the influence on the stray capacitance measurements at the end of the transmission line, characteristic of transducers with open conductors, is eliminated. Due to the closure, it is possible to determine the real component of the refractive index directly, without graduation, on the reference materials of the device that implements this method.

Также существенным признаком способа является выполнение измерений по шагам путем перебора дискретных частот. Это решение позволяет по завершении цикла перестройки произвести математическую обработку результатов измерений и повысить точность измерения частот гармоник. Для уменьшения времени измерений число дискретных частот должно быть уменьшено, в этом случае для сохранения точности частоту гармоники определяют по минимуму аппроксимирующей функции. Для частной задачи, например, для определения содержания воды в бетонной смеси непосредственно в работающем смесителе, измерения отношения напряжений проводят на сравнительно небольшом количестве дискретных частот, что позволяет применить усреднение результатов по времени для каждой из частот. Частоту гармоники определяют по минимуму аппроксимирующей функции, построенной по усредненным результатам измерений. Also an essential feature of the method is the measurement in steps by sorting discrete frequencies. This solution allows, upon completion of the tuning cycle, to carry out mathematical processing of the measurement results and to increase the accuracy of measuring harmonics frequencies. To reduce the measurement time, the number of discrete frequencies should be reduced, in this case, to maintain accuracy, the harmonic frequency is determined by the minimum of the approximating function. For a particular task, for example, to determine the water content in a concrete mixture directly in a working mixer, the measurement of the voltage ratio is carried out at a relatively small number of discrete frequencies, which allows the use of time averaging of results for each frequency. The harmonic frequency is determined by the minimum of the approximating function constructed from the averaged measurement results.

Особенностью предлагаемого способа является и вычисление отношения напряжения на входе первичного преобразователя к напряжению на входе элемента, что необходимо для исключения влияния нестабильности амплитуды генератора. В прототипе нестабильность генератора уменьшают с помощью цепей автоматической регулировки мощности (АРМ). При измерениях в диапазоне частот инерционность АРМ резко замедляет перестройку, приводит к ошибкам. Измерение отношения устраняет этот недостаток. A feature of the proposed method is the calculation of the ratio of the voltage at the input of the primary converter to the voltage at the input of the element, which is necessary to eliminate the influence of instability of the amplitude of the generator. In the prototype, the instability of the generator is reduced using automatic power control circuits (AWP). When measuring in the frequency range, the inertia of the AWP sharply slows down the tuning and leads to errors. Measuring attitudes eliminates this drawback.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

На фиг.1 приведена схема измерительного устройства, реализующего Figure 1 shows a diagram of a measuring device that implements

предлагаемый способ. Здесь введены обозначения: the proposed method. The notation is introduced here:

1— генератор зондирующего сигнала, перестраиваемый в диапазоне частот; 1 — probe signal generator tunable in the frequency range;

2— первичный преобразователь (зонд), выполненный в виде отрезка длинной линии с не менее чем двумя проводниками, причем отрезок длинной линии, образующий первичный преобразователь, выполнен короткозамкнутым на конце (его проводники на конце соединены между собой так, что в месте их соединения образован электрический контакт); 2 — a primary transducer (probe) made in the form of a long line segment with at least two conductors, and the long line segment forming the primary transducer is made short-circuited at the end (its conductors at the end are interconnected so that at their junction is formed electrical contact);

3— элемент, имеющий активное сопротивление и включенный между генератором 1 и первичным преобразователем 2; 3 - an element having an active resistance and connected between the generator 1 and the primary Converter 2;

4, 5— первый и второй детекторы, предназначенные для измерения напряжения зондирующего сигнала, причем, первый детектор 4 включен в точке между генератором 1 и элементом 3 на входе этого элемента, а второй детектор 5 включен непосредственно на входе первичного преобразователя 2. 4, 5 - the first and second detectors designed to measure the voltage of the probing signal, and the first detector 4 is connected at the point between the generator 1 and element 3 at the input of this element, and the second detector 5 is connected directly to the input of the primary Converter 2.

6— устройство измерения; 6 - measuring device;

7— устройство управления частотой генератора. 7— generator frequency control device.

На фиг.2 приведен график зависимости отношения напряжения U_{nn Н}а входе преобразователя 2 к напряжению U_3JI на входе элемента 3 в зависимости от частоты генератора 1. Значения частот гармоник, на которых указанное отношение достигает минимума при измерениях в воздухе и в материале, отмечены, соответственно, через

Figure 2 shows a graph of the relationship of the voltage U _{nn Н at the} input of the converter 2 to the voltage U _3JI at the input of element 3 depending on the frequency of the generator 1. The values of the harmonics frequencies at which this ratio reaches a minimum when measured in air and in the material are marked , respectively, through

Г. G.

На фиг.З показан график периодической перестройки частоты f генератора 1 во времени t с периодом Т . On Fig. 3 shows a graph of the periodic tuning of the frequency f of the generator 1 in time t with a period T.

На фиг.4 проиллюстрирован метод нахождения значения частоты гармоники f, как среднего значения от частот f_a н /ь , характеризующихся тем, что значения отношения U_nn I U_3J1 напряжений на этих частотах равны, частота f_a— ниже частоты гармоники fi , а частота f,— выше ее. Figure 4 illustrates a method for finding the value of the harmonic frequency f as the average of the frequencies f _a n / b, characterized in that the values of the voltage ratio U _nn IU _3J1 are equal, the frequency f _a is lower than the harmonic frequency fi, and the frequency f is above her.

На фиг.5 проиллюстрирован метод нахождения значения частоты гармоники

по минимуму аппроксимирующей функции, построенной по результатам измерений на четырех дискретных частотах: f_a , fb , fc , fd-Figure 5 illustrates a method for finding the value of the harmonic frequency

to the minimum of the approximating function constructed from the results of measurements at four discrete frequencies: f _a , fb, fc, fd-

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Измерительное устройство, реализующее предложенный способ, работает следующим образом. Генератор 1 с помощью устройства управления 7 периодически перестраивают в диапазоне рабочих частот дискретными шагами At с периодом Т. A measuring device that implements the proposed method works as follows. The generator 1 using the control device 7 periodically they are tuned in the operating frequency range by discrete steps At with a period T.

Сформированный генератором 1 зондирующий сигнал подают в первичный The probe signal generated by the generator 1 is supplied to the primary

преобразователь 2 через элемент 3, имеющий активное сопротивление ?_э_, . В качестве элемента 3 может быть использован безиндуктивный резистор, например, типа С2-10. В точке между генератором 1 и элементом 3 на входе элемента измеряют напряжение У_эд с помощью включенного в эту точку детектора 4. Вторым детектором 5, подключенным непосредственно к входу первичного преобразователя 2, измеряют напряжение U_{m на} входе преобразователя. Детекторы 4, 5 преобразуют высокочастотные сигналы в низкочастотные и могут быть выполнены на основе полупроводниковых диодов. Сигналы детекторов 4, 5 подают в устройство измерения 6, где производится вычисление отношения напряжений ^ _n ^ -зл · На каждом шаге At полученное значение отношения запоминают в процессоре устройства измерения 6, одновременно в память процессора заносят значение частоты для этого шага. По завершении цикла перестройки выполняют математическую обработку результатов измерений, получают полную частотную характеристику входного сопротивления первичного преобразователя в диапазоне частот. converter 2 through element 3 having an active resistance? _e _,. As element 3, a non-inductive resistor, for example, type C2-10, can be used. At the point between the generator 1 and element 3 at the input of the element, the voltage U _{ed is} measured with the aid of a detector 4. A second detector 5 connected directly to the input of the primary transducer 2 measures the voltage U _{m at the} input of the converter. Detectors 4, 5 convert high-frequency signals into low-frequency ones and can be based on semiconductor diodes. The signals of the detectors 4, 5 are fed to the measuring device 6, where the stress ratio ^ _n ^ -zl is calculated. At each step At, the obtained ratio value is stored in the processor of the measuring device 6, at the same time, the frequency value for this step is recorded in the processor memory. Upon completion of the tuning cycle, mathematical processing of the measurement results is performed, and the full frequency response of the input resistance of the primary converter in the frequency range is obtained.

Определяют частоты, на которых отношение ^ _n ^ эл достигает минимума и, соответственно, достигает минимума входное сопротивление первичного преобразователя Determine the frequency at which the ratio ^ _n ^ el reaches a minimum and, accordingly, reaches a minimum input resistance of the primary Converter

2. Найденные частоты являются частотами гармоник

, причем номер гармоники 2. Found frequencies are harmonic frequencies

, and the harmonic number

I равен количеству полуволн, «укладывающихся» на длине преобразователя 2. I is equal to the number of half-waves “stacking” along the length of the transducer 2.

Измерения частот гармоник выполняют поочередно при заполнении первичного преобразователя 2 воздухом и при заполнении первичного преобразователя 2 The harmonics frequency measurements are performed alternately when filling the primary transducer 2 with air and when filling the primary transducer 2

контролируемым материалом, причем измеряют не менее двух гармоник. Измерения частот гармоник при воздушном заполнении преобразователя 2 достаточно выполнить один раз при изготовлении прибора и эти данные занести в память процессора устройства измерения 6. При эксплуатации прибора повторное измерение при воздушном заполнении преобразователя может потребоваться только для controlled material, and measure at least two harmonics. Measurement of harmonics frequencies during air filling of transducer 2 is sufficient to be done only once during manufacture of the device and these data should be stored in the memory of the processor of measuring device 6. During operation of the device, a repeated measurement during air filling of the transducer may be required only for

метрологической поверки. metrological verification.

Действительную составляющую ^ показателя преломления вычисляют по измеренным частотам гармоник на основании приведенных выше математических выражений. Параметр ^ в технической литературе также называют коэффициентом замедления или коэффициентом укорочения длины волны. The real component ^ of the refractive index is calculated from the measured harmonics frequencies based on the above mathematical expressions. The parameter ^ in the technical literature is also called the deceleration coefficient or the coefficient of shortening the wavelength.

Мнимую составляющую k показателя преломления определяют при заполнении преобразователя 2 контролируемым материалом по величине отношения U„„ I U _эл на частоте гармоники и известной величине сопротивления R_3JI элемента 3. Математическое выражение для вычисления мнимой составляющей к по результатам измерений первой гармоники приведено выше. По величине к вычисляют тангенс диэлектрических потерь. The imaginary component k of the refractive index is determined when the transducer 2 is filled with controlled material according to the ratio U „„ IU _el at the harmonic frequency and the known resistance value R _{3JI of} element 3. The mathematical expression for calculating the imaginary component k according to the results of measurements of the first harmonic is given above. The k value of the dielectric loss tangent is calculated.

По измеренным значениям к YI и температуре материала определяют его влажность или другие физические параметры, влияющие на коэффициент преломления, например, концентрацию смеси веществ, плотность. The measured values of YI and the temperature of the material determine its moisture content or other physical parameters that affect the refractive index, for example, the concentration of a mixture of substances, density.

Необходимо отметить, что для определения физических параметров материала по значению его показателя преломления достаточно иметь характеристики самого материала, градуировка устройства измерения не производится. Замена одного It should be noted that to determine the physical parameters of a material by the value of its refractive index, it is sufficient to have the characteristics of the material itself, calibration of the measuring device is not performed. Replacing one

устройства, реализующего данный способ, на другое устройство с иными a device that implements this method to another device with other

геометрическими и конструктивными параметрами, но реализующее тот же способ, не приводит к необходимости градуировки. Рассмотрим критерии выбора диапазона частот перестройки генератора 1 и величины сопротивления элемента 3. geometric and structural parameters, but implementing the same method, does not lead to the need for graduation. Consider the criteria for choosing the frequency range of the tuning of the generator 1 and the resistance value of element 3.

Для измерения влажности верхняя частота диапазона не должна превышать 1 2 ГГц, в этом случае действительная составляющая показателя преломления пленочной и капиллярной воды не зависит от частоты зондирующего сигнала (см., например, описание к патенту РФ на изобретение N° 2467314). Нижняя частота диапазона определяется длиной первичного преобразователя и максимальным значением показателя преломления контролируемого материала. Например, для первичного преобразователя длиной 250мм перестройка генератора 1 должна производиться в полосе частот, примерно, от 100 МГц до 620 МГц. Здесь нижняя граница полосы перестройки определена для случая To measure humidity, the upper frequency of the range should not exceed 1 2 GHz, in this case, the real component of the refractive index of the film and capillary water does not depend on the frequency of the probe signal (see, for example, the description of the RF patent for the invention N ° 2467314). The lower frequency of the range is determined by the length of the primary transducer and the maximum value of the refractive index of the controlled material. For example, for a primary converter with a length of 250 mm, the tuning of the generator 1 should be carried out in a frequency band of approximately 100 MHz to 620 MHz. Here, the lower boundary of the tuning band is defined for the case

увеличения коэффициента замедления до 5+6. increase the deceleration factor to 5 + 6.

Величина сопротивления ^_эл элемента 3 выбирается исходя из того, что слишком малое его значение ухудшит чувствительность нахождения минимума, а чрезмерно большое - приведет к потере в точности измерения сигнала в минимуме. В опытных образцах измерителя влажности оптимальные результаты получены с номиналом резистора в пределах 20+51 Ом. The resistance value ^ _{e of} element 3 is chosen on the basis that its too small value will worsen the sensitivity of finding the minimum, and excessively large will lead to a loss in the accuracy of signal measurement at the minimum. In the experimental samples of the moisture meter, optimal results were obtained with a resistor rating in the range of 20 + 51 Ohms.

Испытания образцов влагомера, реализующего предложенный способ, Testing samples of a moisture meter that implements the proposed method,

производились на речном песке, карбонатном щебне, гранитном гравии, а также водомазутной эмульсии. Для измерения влажности использовался первичный were produced on river sand, carbonate gravel, granite gravel, as well as water-oil emulsion. To measure humidity, the primary

преобразователь, имеющий длину 250 мм. Для этого первичного преобразователя при заполнении его воздухом частоты первой и второй гармоник составляли 600 МГц и 1200 МГц. При заполнении первичного преобразователя песком с влажностью от 0 до 16,5% (по массе) частоты гармоник снижались, соответственно, до 150 МГц и 300 МГц, причем показатели преломления обеих гармоник сохранялись одинаковыми с высокой точностью, а погрешности их измерения компенсировались путем вычисления среднего значения от указанных параметров. Проведенные испытания подтвердили эффективность предлагаемого технического решения. a transducer having a length of 250 mm. For this primary converter, when filling it with air, the frequencies of the first and second harmonics were 600 MHz and 1200 MHz. When the primary converter was filled with sand with humidity from 0 to 16.5% (by weight), the harmonic frequencies decreased, respectively, to 150 MHz and 300 MHz, and the refractive indices of both harmonics were kept the same with high accuracy, and their measurement errors were compensated by calculating the average values from the specified parameters. The tests confirmed the effectiveness of the proposed technical solution.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ CLAIM

1. Способ измерения физических параметров материала, при котором измеряют напряжения зондирующего сигнала во входной цепи первичного 1. The method of measuring the physical parameters of the material, which measure the voltage of the probe signal in the input circuit of the primary

преобразователя, выполненного в виде отрезка длинной линии с не менее чем двумя проводниками и заполняемого контролируемым материалом, причем зондирующий сигнал формируется генератором, между генератором и входом первичного a transducer made in the form of a long line segment with at least two conductors and filled with a controlled material, and a probing signal is generated by a generator between the generator and the input of the primary

преобразователя включен элемент, имеющий активное сопротивление, а напряжения зондирующего сигнала измеряют с помощью двух детекторов, один из которых включен в точке между генератором и указанным элементом на входе элемента, а второй включен непосредственно на входе первичного преобразователя, the transducer includes an element having active resistance, and the voltages of the probe signal are measured using two detectors, one of which is connected at the point between the generator and the specified element at the input of the element, and the second is connected directly at the input of the primary transducer,

характеризующийся тем, что characterized in that

генератор перестраивают в диапазоне частот дискретными шагами, на каждом шаге перестройки вычисляют отношение напряжения на входе первичного преобразователя к напряжению на входе элемента и по минимальным значениям указанных отношений определяют частоты гармоник, характеризующихся тем, что на частоте гармоники входное сопротивление первичного преобразователя достигает минимума, измерения указанных частот гармоник выполняют поочередно при заполнении первичного преобразователя воздухом и при заполнении первичного преобразователя the generator is tuned in the frequency range in discrete steps, at each step of the tuning, the ratio of the voltage at the input of the primary converter to the voltage at the input of the element is calculated and the minimum values of these ratios determine the frequency of harmonics, characterized in that at the harmonic frequency the input resistance of the primary converter reaches a minimum, measuring the harmonic frequencies are performed alternately when filling the primary converter with air and when filling the primary converter

короткозамкнутым на конце, по полученным в результате указанных измерений значениям частот гармоник определяют физические параметры материала. short-circuited at the end, the physical parameters of the material are determined from the values of harmonics frequencies obtained as a result of these measurements.

2. Способ по п.1 , характеризующийся тем, что частоту гармоники определяют путем вычисления среднего значения двух частот, характеризующихся тем, что значения отношения напряжений на этих частотах равны, одна из этих частот находится ниже частоты гармоники, а вторая частота превышает частоту гармоники. 2. The method according to claim 1, characterized in that the harmonic frequency is determined by calculating the average value of two frequencies, characterized in that the voltage ratio at these frequencies are equal, one of these frequencies is below the harmonic frequency, and the second frequency exceeds the harmonic frequency.

3. С Способ по п.1 , характеризующийся тем, что по измеренным отношениям напряжений для дискретных частот формируют аппроксимирующую математическую функцию и значение частоты гармоники определяют путем вычисления минимума этой функции. 3. C The method according to claim 1, characterized in that according to the measured voltage ratios for discrete frequencies, an approximating mathematical function is formed and the value of the harmonic frequency is determined by calculating the minimum of this function.

4. Способ по п.З, характеризующийся тем, что определяют отношения напряжений для дискретных частот путем многократных измерений отношений отдельно на каждой из этих частот и их усреднения по времени. 4. The method according to p. 3, characterized in that they determine the relationship of stresses for discrete frequencies by repeatedly measuring the ratios separately at each of these frequencies and their averaging over time.

5. Способ по любому из пп.1-4, характеризующийся тем, что по значениям частот не менее чем двух гармоник определяют действительную составляющую 5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the real component is determined from the frequency values of at least two harmonics

показателя преломления материала, а по величине отношения напряжения на входе первичного преобразователя к напряжению на входе элемента, измеренных на частоте первой гармоники при заполнении преобразователя материалом, и сопротивлению элемента вычисляют мнимую составляющую показателя преломления материала, измеряют температуру материала и по этим данным определяют влажность или другие физические параметры материала. the refractive index of the material, and the magnitude of the ratio of the voltage at the input of the primary transducer to the voltage at the input of the element, measured at the frequency of the first harmonic when the transducer is filled with material, and the resistance of the element, the imaginary component of the refractive index of the material is calculated, the material temperature is measured, and moisture or other parameters are determined from these data physical parameters of the material.

6. Способ по любому из пп.1-4, характеризующийся тем, что действительную составляющую показателя преломления материала определяют по значениям частот не менее чем двух гармоник, при этом для каждой из гармоник определяют отношение ее частоты, измеренной при заполнении первичного преобразователя воздухом, к ее частоте, измеренной при заполнении первичного преобразователя контролируемым материалом, определяют среднее значение указанных отношений по измеренным гармоникам и по нему вычисляют действительную составляющую показателя преломления материала с помощью следующих математических выражений:

6. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the real component of the refractive index of the material is determined by the values of the frequencies of at least two harmonics, while for each of the harmonics, the ratio of its frequency, measured when the primary converter is filled with air, is determined to its frequency, measured when the primary transducer is filled with controlled material, the average value of the indicated relations is determined by the measured harmonics and the real component of the refractive index is calculated from it eniya material using the following mathematical expressions:

или

or

ИЛИ

OR

где Where

П— действительная составляющая показателя преломления P is the real component of the refractive index

материала; material;

т количество измеренных гармоник;

частоты гармоники с номером / о при заполнении первичного преобразователя, соответственно, воздухом и контролируемым материалом. t is the number of measured harmonics;

the harmonic frequency with the number / о when filling the primary transducer, respectively, with air and controlled material.

7. Способ по любому из пп.1 -4, характеризующийся тем, что действительную составляющую показателя преломления материала определяют по значениям частот не менее чем двух гармоник с помощью следующего математического выражения: 7. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the real component of the refractive index of the material is determined by the frequency values of at least two harmonics using the following mathematical expression:

П = N =

fr - //^* где fr - // ^* where

П— действительная составляющая показателя преломления материала; i , J - номера гармоник, причем

частоты гармоник с номерами при заполнении первичного преобразователя контролируемым материалом; — частоты гармоник с номерами *· , J при заполнении первичного преобразователя воздухом. P - the real component of the refractive index of the material; i, J are the harmonic numbers, and

harmonics frequencies with numbers when filling the primary converter with controlled material; - harmonics frequencies with numbers * ·, J when filling the primary converter with air.