Спосіб зондової нвч-вологометрії

Изобретение относится к технике влагометрии на СВЧ и может быть использовано для измерения влажности локальных участков диэлектрических сред, а также для определения профиля или плана распределения влажности, в частности, субстратов в гидропонных теплицах, почвогрунтов, сыпучих минеральных удобрений, зернопродуктов и т.д. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому является способ зондовой СВЧ-влагометрии, по которому производят взаимодействие первичного измерительного преобразователя, настроенного на резонанс, с участком диэлектрической среды посредством его электромагмитного СВЧ-поля и определяют коэффициент отражения и разность фаз падающей и отражающей волн, которые зависят от диэлектрической проницаемости измеряемой среды и по значению которых судят с влажности среды. Принцип работы измерителя предполагает максимальное рассогласование антенны, являющейся первичным измерительным преобразователем, с влажной средой и полное согласование ее с сухой средой. Недостатками этого способа являются: необходимость механической подстройки антенны на резонанс для каждого типа измеряемой среды, что усложняет эксплуатацию и понижает точность измерения; отсутствие определенного направления в диаграмме направленности первичного измерительного преобразователя, выполненного в виде четвертьволновой антенны, являющейся линией из распределенных параметрах, что не обеспечивает возможность измерения влажности в окрестности точки среды или поверхности среды, и существенно ухудшает ее применение для измерения влажности локальных участков среды. Задачей изобретения является обеспечение возможности измерения влажности вокальных участков диэлектрических сред, а также повышение точности измерений и упрощение эксплуатации. Поставленная задача решается тем, что в способе зондовой СВЧ-влагометрии, заключающемся во взаимодействии первичного измерительного преобразователя с участком исследуемой среды посредством его электромагнитного поля и определении влагосодержания в результате измерения диэлектрической проницаемости среды, согласно изобретению, воздействуют на исследуемый участок диэлектрической среды локальным электромагнитным полем высокодобротного диэлектрического резонатора с собственной добротностью не менее 2000, являющегося чувствительным элементом первичного измерительного преобразователя, при этом определяют его добротность и резонансную частоту и вычисляют влажность по формуле где - коэффициент, определяемый эмпирически для конкретного типа измеряемой диэлектрической среды, - калибровочное значение собственной частоты резонатора, взаимодействующего с сухой средой; - значение собственной частоты резонатора, взаимодействующего с измеряемой средой; - калибровочное значение добротности резонатора, взаимодействующего с сухой средой; - значение добротности резонатора, взаимодействующего с измеряемой средой. Также, согласно изобретению, для получения значений резонансной частоты и добротности первичного измерительного преобразователя возбуждают резонатор в диапазоне частот, включающем резонансную кривую первичного измерительного преобразователя, взаимодействующего с измеряемой средой, и определяют его амплитудно-частотную характеристику. Способ зондовой СВЧ-влагометрии осуществляют следующим образом. Помещают откалиброванный (по известным значениям резонансной частоты и добротности первичный измерительный преобразователь в исследуемую диэлектрическую среду, находят величину резонансной частоты и добротности диэлектрического резонатора, являющегося чувствительным элементом первичного измерительного преобразователя, и определяют влажность по вышеуказанной формуле. При этом, для получения значений резонансной частоты и добротности первичного измерительного преобразователя возбуждают резонатор в диапазоне частот, включающем резонансную кривую первичного измерительного преобразователя, взаимодействующего с измеряемой средой, и определяют его амплитудночастотную характеристику. Причем, полученная величина влажности соответствует влажности среды, расположенной в электромагнитном поле, локализованном в непосредственной близости от полюса диэлектрического резонатора, имеющего диаграмму направленности, характерную для полюса диполя. Благодари тому, что первичный измерительный преобразователь взаимодействует с диэлектрической средой посредством концентрированного местного электромагнитного поля высокодобротного диэлектрического резонатора с собственной добротностью не менее 2000, определение влажности производится в окрестности точки, расположенной в непосредственной близости от диэлектрического резонатора, имеющего диаграмму направленности, характерную для диполя. Такая локализация зондовой СВЧ-влагометрии позволяет с высокой степенью верности определять характер распределения влажности как по поверхности среды (в плане), так и по объему (в профиле). При этом изменения резонансной частоты и добротности резонаторного датчика несут достоверную информацию об изменении действительной и мнимой составляющих комплексной диэлектрической проницаемости, которые непосредственно зависят от влажности исследуемого локального участка диэлектрической среды. В результате взаимодействия первичного измерительного преобразователя с измеряемой средой происходит 10 - 20 кратное уменьшение добротности его чувствительного элемента, что подтверждается экспериментальными данными, приведенными в таблице. Экспериментально установлено, что при уменьшении добротности первичного измерительного преобразователя, взаимодействующего с влажной средой, менее 100, происходят изменения формы наблюдаемой резонансной кривой, объясняемые гармоническим возбуждением первичного измерительного преобразователя. Это явление понижает точность результатов измерений и обуславливает ограничение минимального значения (2000) собственной добротности диэлектрического резонатора. Для получения значений резонансной частоты и добротности первичного измерительного преобразователя возбуждают резонатор в диапазоне частот, включающем резонансную кривую первичного измерительного преобразователя, взаимодействующего с измеряемой средой, и определяют его амплитудно-частотную характеристику. При изменении типов измеряемых сред достаточно корректировать калибровочные значения резонансной частоты и добротности и величину калибровочного коэффициента что повышает точность и упрощает измерения. Пример конкретной реализации способа. Дисковый диэлектрический резонатор с собственной добротностью частотой и изготовленный высокодобротной керамики типа ТБСН с из и имеющий диаметр диска 3мм, поместили в экранирующий корпус, изготовленный из латуни с внутренними размерами 4 ´ 9 ´ 12мм, имеющий радиопрозрачное окно диаметром 5мм, выполненное по центру одной из граней корпуса. Диэлектрический резонатор поместили в центре корпуса между размещенными в нем двумя линиями связи; входной, соединенной с генератором качающейся частоты, и выходной, соединенной с входом индикатора КСВН и ослабления, обеспечивая этим возбуждение его типом колебаний и диаграмму направленности, характерную для полюса диполя, имеющую высокую напряженность элекромагнитного поля, локализованного в окрестности радиопрозрачного окна. С помощью полученного таким образом измерительного комплекса проводили измерения влажности локальных участков диэлектрической среды, определяя резонансную частоту и добротность диэлектрического резонатора, являющегося чувствительным элементом первичного измерительного преобразователя, электромагнитно связанного со средой. Измерения влажности проводили следующим образом. Вводили первичный измерительный преобразователь в исследуемую среду на необходимую глубину или совмещали его с ее поверхностью, ориентируя радиопрозрачное окно на исследуемый участок среды. Затем определяли амплитудно-частотную характеристику первичного измерительного преобразователя, по которой судили о значениях резонансной частоты и добротности равной отношению резонансной частоты к ширине резонансной кривой на половинном уровне амплитуды сигнала Таким образом определяли калибровочные значения резонансной частоты и добротности первичного измерительного преобразователя, взаимодействующего с обезвоженной средой. Калибровочный коэффициент вычисляли из формулы, определяя значения резонансной частоты и добротности первичного измерительного преобразователя, взаимодействующего со средой, влажность которой предварительно определяли термогравиметрическим методом. При этом величина калибровочного коэффициента в диапазоне измеряемой влажности от 60% до 85% практически не изменялась, что подтверждается проведенными исследованиями с минеральной ватой, используемой в качестве субстрата в гидропонных теплицах. В результате исследований обезвоженной минеральной ваты получены следующие калибровочные значения: Для влажной минеральной ваты полученные экспериментальные и расчетные данные приведены в таблице.