[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

RU2338179C1 - Uhf method for defining surface moisture of dielectric coatings on metal, and device for implementation of method - Google Patents

Uhf method for defining surface moisture of dielectric coatings on metal, and device for implementation of method Download PDF

Info

Publication number
RU2338179C1
RU2338179C1 RU2006147026/28A RU2006147026A RU2338179C1 RU 2338179 C1 RU2338179 C1 RU 2338179C1 RU 2006147026/28 A RU2006147026/28 A RU 2006147026/28A RU 2006147026 A RU2006147026 A RU 2006147026A RU 2338179 C1 RU2338179 C1 RU 2338179C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
dielectric constant
minimum
surface layer
wavelength
receiving
Prior art date
Application number
RU2006147026/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2006147026A (en
Inventor
Дмитрий Александрович Дмитриев (RU)
Дмитрий Александрович Дмитриев
Павел Александрович Федюнин (RU)
Павел Александрович Федюнин
Сергей Александрович Дмитриев (RU)
Сергей Александрович Дмитриев
Анатолий Александрович Панов (RU)
Анатолий Александрович Панов
Original Assignee
Тамбовское высшее военное авиационное инженерное училище радиоэлектроники (военный институт)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Тамбовское высшее военное авиационное инженерное училище радиоэлектроники (военный институт) filed Critical Тамбовское высшее военное авиационное инженерное училище радиоэлектроники (военный институт)
Priority to RU2006147026/28A priority Critical patent/RU2338179C1/en
Publication of RU2006147026A publication Critical patent/RU2006147026A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2338179C1 publication Critical patent/RU2338179C1/en

Links

Landscapes

  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Abstract

FIELD: physics, measurement.
SUBSTANCE: method involves placement of examined material in high frequency electromagnetic field and further registration of changing parametres characterising high frequency emission. Expectation function, dispersion and average standard deviation of linear field damping factor by the set of measured linear field damping factors for each discrete surface point, average standard deviation of field damping factor for all scanned surface points is defined and compared to limit deviation values of linear field damping factor. Fractal dimension and surface 'non-reflection' factor are defined. Combined transceiver antenna is mounted in the centre of scanned area, and UHF generator is adjusted at given wavelength. Actual and virtual parts of complex inductive capacity of surface layer are defined by the minimum reflected power and UHF generator wavelength corresponding to that minimum, and surface layer moisture is determined.
EFFECT: enhanced sensitivity and accuracy of measurement.
2 cl; 1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к способам определения влажности диэлектрических покрытий на поверхности металла с учетом электрофизических и геометрических неоднородностей поверхности и может быть использовано при контроле состава и свойств твердых покрытий на металле при разработке и эксплуатации радиопоглощающих материалов и покрытий, а также в химической, лакокрасочной и других отраслях промышленности.The present invention relates to methods for determining the moisture content of dielectric coatings on a metal surface, taking into account electrophysical and geometric inhomogeneities of the surface, and can be used to control the composition and properties of hard coatings on metal in the development and operation of radar absorbing materials and coatings, as well as in chemical, paint and varnish and other industries industry.

Известен СВЧ-способ определения влажности твердых материалов /Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник/ Под. ред. В.В.Клюева. - М.: Машиностроение, 1995. - 488 с./, основанный на принципе измерения волновых характеристик отраженной электромагнитной волны при измерении влажности материала.Known microwave method for determining the moisture content of solid materials / Non-destructive testing and diagnostics: Reference / Under. ed. V.V. Klyueva. - M .: Mashinostroenie, 1995. - 488 pp. /, Based on the principle of measuring the wave characteristics of the reflected electromagnetic wave when measuring material moisture.

Способ и реализующее его устройство обладают такими недостатками, как отсутствие интегральной оценки влажности для материалов большой толщины, при измерениях влажности необходимо учитывать многократные отражения от задней поверхности образца, на результат измерений влияют состояние и характер отражающих поверхностей, большое паразитное излучение мощности СВЧ-сигнала, сложность реализации способа.The method and the device that implements it have such disadvantages as the lack of an integrated moisture estimate for materials of large thickness; when measuring humidity, it is necessary to take into account multiple reflections from the back surface of the sample, the state and nature of the reflecting surfaces, the large spurious radiation of the microwave signal power, and the complexity the implementation of the method.

Известен СВЧ-способ определения влажности твердых материалов по углу Брюстера /Берлинер М.А. Измерение влажности. - М.: Энергия, 1973/, заключающийся в нахождении угла падения, которому соответствует минимум отраженной горизонтально-поляризованной электромагнитной волны от плоской поверхности образца.Known microwave method for determining the moisture content of solid materials by the Brewster angle / Berliner MA Moisture measurement. - M .: Energy, 1973 /, which consists in finding the angle of incidence, which corresponds to the minimum reflected horizontal-polarized electromagnetic wave from the flat surface of the sample.

Недостатками способа и реализующего его устройства являются зависимость точности измерений от толщины исследуемого образца, от состояния и характера отражающих поверхностей, низкая точность измерений больших значений влажности, большое рассеивание СВЧ-энергии и низкая точность определения угла Брюстера, невозможность определения неоднородностей электрофизических и геометрических параметров.The disadvantages of the method and the device that implements it are the dependence of the measurement accuracy on the thickness of the test sample, on the state and nature of the reflecting surfaces, the low accuracy of measurements of large humidity values, the high dispersion of microwave energy and the low accuracy of determining the Brewster angle, the inability to determine inhomogeneities of electrophysical and geometric parameters.

Известен СВЧ-способ локализации неоднородностей в диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытиях на металле и оценки их относительной величины /Патент РФ №2256165, МПК7 G01R 29/08, G01N 15/08; Опубл. 10.07.05, Бюл. №19/, заключающийся в создании электромагнитного поля в объеме контролируемого диэлектрического покрытия на электропроводящей подложке и последующей регистрации изменения его параметров с помощью системы приемных вибраторов в нормальной плоскости относительно направления распространения электромагнитной волны в пределах границ сканируемого покрытия.Known microwave method for localizing inhomogeneities in dielectric and magnetodielectric coatings on metal and assessing their relative magnitude / RF Patent No. 2256165, IPC 7 G01R 29/08, G01N 15/08; Publ. 07/10/05, Bull. No. 19 /, which consists in creating an electromagnetic field in the volume of a controlled dielectric coating on an electrically conductive substrate and then recording changes in its parameters using a system of receiving vibrators in a normal plane relative to the direction of propagation of the electromagnetic wave within the boundaries of the scanned coating.

Недостатками способа являются возможность определения лишь свойств неоднородностей покрытия, малая чувствительность и низкая точность локализации и оценки геометрических и электрофизических параметров неоднородностей, невозможность определения влажности.The disadvantages of the method are the ability to determine only the properties of the inhomogeneities of the coating, low sensitivity and low accuracy of localization and evaluation of the geometric and electrophysical parameters of the inhomogeneities, the impossibility of determining moisture.

За прототип выбран неразрушающий СВЧ-способ контроля влажности твердых материалов и устройство для его реализации /Патент РФ №2269763, МПК7 G01N 9/36, 22/04; Опубл. 10.04.06, Бюл. №4/, заключающийся в нахождении угла падения электромагнитной волны, при котором наблюдают минимум мощности отраженной волны от поверхности исследуемого влажного материала, и расчете по известным формулам величины влажности поверхностного слоя Wn, по изменению температуры локального объема исследуемого влажного материала при поглощении им фиксированной дозы энергии падающей ЭМВ, определяют величину влажности W в объеме материала.For the prototype, a non-destructive microwave method for controlling the humidity of solid materials and a device for its implementation were selected / RF Patent No. 2269763, IPC 7 G01N 9/36, 22/04; Publ. 04/10/06, Bull. No. 4 /, which consists in finding the angle of incidence of the electromagnetic wave, at which the minimum power of the reflected wave from the surface of the studied wet material is observed, and the calculation of the moisture content of the surface layer W n according to known formulas, by changing the temperature of the local volume of the studied wet material when it absorbes a fixed dose energy of incident EMW, determine the value of humidity W in the volume of the material.

Недостатками способа являются: низкая точность измерений поверхностной влажности Wn из-за не учитываемых мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости материала, стохастической шероховатости и электрофизических неоднородностей покрытия (материала), не учитывается ширина диаграммы направленности (ДН) излучателя и площадь зоны, существенной для отражения, а также наличие СВЧ-нагрева и контакта с исследуемым материалом, низкая точность измерений больших значений влажности, зависимость точности измерений угла Брюстера от девиации частоты лампового СВЧ-генератора, сложность аппаратурной реализации способа.The disadvantages of the method are: low accuracy of measurements of surface humidity W n due to the imaginary part of the complex dielectric constant of the material, stochastic roughness and electrophysical inhomogeneities of the coating (material) not taken into account, the width of the radiation pattern (BH) of the emitter and the area of the area essential for reflection are not taken into account, as well as the presence of microwave heating and contact with the studied material, low accuracy of measurements of large humidity values, the dependence of the accuracy of measurements of the Brewster angle on nine tion tube frequency microwave generator hardware implementation complexity of the method.

Техническим результатом изобретения является увеличение чувствительности и повышение точности измерения влажности поверхностного слоя Wn диэлектрического покрытия за счет учета мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости поверхностного слоя, ширины ДН излучателя, электрофизических неоднородностей покрытия и шероховатости его поверхности.The technical result of the invention is to increase the sensitivity and improve the accuracy of measuring the moisture content of the surface layer W n of the dielectric coating by taking into account the imaginary part of the complex dielectric constant of the surface layer, the emitter bottom width, the electrophysical inhomogeneities of the coating and its surface roughness.

Данный результат достигается тем, что в СВЧ-способе определения поверхностной влажности диэлектрических покрытий на металле, заключающемся в помещении исследуемого материала в высокочастотное электромагнитное поле с последующей регистрацией изменения параметров, характеризующих высокочастотное излучение, по набору измеренных значений коэффициентов нормального затухания поля в каждой дискретной точке поверхности рассчитывают математическое ожидание, дисперсию и среднеквадратическое отклонение коэффициента нормального затухания поля, определяют среднее значение среднеквадратического отклонения коэффициента затухания поля по всем точкам поверхности сканирования σαcp и сравнивают с пороговыми отклонениями коэффициента нормального затухания поля Δαпор.i, где i∈[1,..., N] - количество предварительно заданных дискретных значений Δαпор:This result is achieved by the fact that in the microwave method for determining the surface humidity of dielectric coatings on metal, which consists in placing the test material in a high-frequency electromagnetic field with subsequent recording of changes in the parameters characterizing the high-frequency radiation, based on a set of measured values of the normal field attenuation coefficients at each discrete point on the surface calculate the mean, variance and standard deviation of the coefficient of normal attenuation I field, determine the average standard deviation value field attenuation coefficient at all points of scanning the surface σ αcp and compared with threshold ratio deviations of the normal field attenuation Δα por.i where i∈ [1, ..., N] - number of predefined discrete values Δα then :

Δαcpi=|σαср-Δαпор.i|;Δα cpi = | σ αavg -Δα por.i |;

определяют фрактальную размерность:determine the fractal dimension:

Дf=tgα,D f = tgα,

где α - угол наклона зависимости Δαcpi=f(Δαпор.i)where α is the slope of the dependence Δα cpi = f (Δα por.i )

и коэффициент "незеркальности" поверхности:and the coefficient of non-mirroring of the surface:

КНЗ=3-Дf;K NC = 3-D f ;

устанавливают комбинированную приемно-излучающую антенну в центре площади сканирования и перестраивают генератор СВЧ на длину волны λг=0,45 см, по минимуму отраженной мощности Pотр мин и длине волны генератора СВЧ λг мин, соответствующей данному минимуму, рассчитывают действительную

Figure 00000002
и мнимую
Figure 00000003
части комплексной диэлектрической проницаемости поверхностного слоя из уравнений:install the combined receiving-emitting antenna in the center of the scanning area and rebuild the microwave generator at a wavelength of λ g = 0.45 cm, the minimum reflected power P ex min and the wavelength of the microwave generator λ g min corresponding to this minimum, calculate the actual
Figure 00000002
and imaginary
Figure 00000003
parts of the complex dielectric constant of the surface layer from the equations:

Figure 00000004
Figure 00000004

Figure 00000005
Figure 00000005

где С - коэффициент пропорциональности;where C is the coefficient of proportionality;

определяют среднее значение влажности поверхностного слоя Wn, решая систему уравнений:determine the average humidity of the surface layer W n by solving the system of equations:

Figure 00000006
Figure 00000007
Figure 00000006
Figure 00000007

Figure 00000008
Figure 00000008

где

Figure 00000009
- дисперсионно-температурная зависимость действительной части диэлектрической проницаемости свободной воды:Where
Figure 00000009
- the dispersion-temperature dependence of the real part of the dielectric constant of free water:

Figure 00000010
Figure 00000010

Figure 00000011
- дисперсионно-температурная зависимость мнимой части диэлектрической проницаемости свободной воды:
Figure 00000011
- dispersion-temperature dependence of the imaginary part of the dielectric constant of free water:

Figure 00000012
Figure 00000012

εв - диэлектрическая проницаемость "сухого" материала:ε in - dielectric constant of the "dry" material:

Figure 00000013
Figure 00000013

где ε0 - диэлектрическая проницаемость обезвоженного строительного материала, εсв - диэлектрическая проницаемость связанной воды (4,5-5,8) инвариантна изменению длины волны генератора λг и температуры t°C, t - температура материала или окружающей материал среды, °С, Wсв.в=0.05 - постоянная величина объемной влажности связанной воды. 0 where ε - dielectric constant of dehydrated building material, ε communication - the permittivity of bound water (4,5-5,8) is invariant under change in wavelength λ of the generator g and the temperature t ° C, t - temperature of the material or environment material, ° C , W St. in = 0.05 - a constant volumetric moisture content of bound water.

Устройство, реализующее данный способ, содержит полупроводниковый генератор СВЧ с устройством управления, диодный переключатель, управляемый микропроцессорным устройством (МПУ), к первому выходу диодного переключателя, через Y - циркулятор с согласованной нагрузкой, подключена рупорная приемно-излучающая часть комбинированной антенны с поглотителем затекающего тока и углом раскрыва, обеспечивающим удовлетворительное согласование со свободным пространством, ко второму выходу диодного переключателя, через второй Y - циркулятор с согласованной нагрузкой, подключена вторая часть антенны в виде спиральной волноводно-щелевой антенны с поглощающей (согласованной) нагрузкой, блока приемных вибраторов с блоком переключения и подмагничивания, управляемым МПУ, приемного зонда измерения мощности отраженной волны и устройства для измерения температуры окружающей среды, блока АПЧ по поиску минимума мощности отраженной волны, сопряженного с МПУ и устройством управления генератора СВЧ.A device that implements this method includes a microwave semiconductor generator with a control device, a diode switch controlled by a microprocessor device (MPU), to the first output of the diode switch, through Y - circulator with matched load, the horn receiving-emitting part of the combined antenna with a feed current absorber is connected and an aperture angle providing satisfactory coordination with free space to the second output of the diode switch, through the second Y - a circulator with combined load, the second part of the antenna is connected in the form of a spiral waveguide-slot antenna with absorbing (matched) load, a receiving vibrator unit with a switching and magnetizing unit controlled by MPU, a receiving probe for measuring the power of the reflected wave and a device for measuring the ambient temperature, the AFC unit the search for the minimum power of the reflected wave associated with the MPU and the control device of the microwave generator.

Реализация способа поясняется с помощью устройства, изображенного на чертеже, содержащего диодный генератор СВЧ - 1, блок управления ГСВЧ - 2; МПУ - 3, блок АПЧ по поиску минимума мощности отраженной волны - 4, блок переключения и подмагничивания 5 линейки приемных вибраторов блока приемных вибраторов 6, комбинированную приемно-излучающую антенну - 7, два Y - циркулятора 8 и 9, диодный переключатель - 10, приемный зонд для измерения мощности отраженной волны Рomp - 11, устройство для измерения температуры окружающей среды (например, термопара, терморезистор, термометр) - 12.The implementation of the method is illustrated using the device depicted in the drawing, containing a microwave diode generator - 1, a control unit; MPU - 3, AFC unit for finding the minimum power of the reflected wave - 4, switching and magnetizing unit 5 of the receiving vibrator line of the receiving vibrator unit 6, combined receiving and emitting antenna - 7, two Y - circulators 8 and 9, diode switch - 10, receiving a probe for measuring the power of the reflected wave P omp - 11, a device for measuring the ambient temperature (for example, a thermocouple, thermistor, thermometer) - 12.

Комбинированная приемно-излучающая антенна 7 состоит из круговой синфазной приемно-передающей рупорной антенны 13 с углом раскрыва, обеспечивающим удовлетворительное согласование со свободным пространством, поглотителя затекающего тока 14, спиральной волноводно-щелевой антенны 15 с поглощающей (согласованной) нагрузкой 16.The combined receiving and emitting antenna 7 consists of a circular in-phase receiving and transmitting horn antenna 13 with an aperture angle that provides satisfactory coordination with free space, the feed current absorber 14, the spiral waveguide-slot antenna 15 with the absorbing (matched) load 16.

Устройство работает в двух режимах, первый режим - режим определения, оценки электрофизических и геометрических (топологических) неоднородностей диэлектрического покрытия и определения коэффициента "незеркальности" Кнз поверхности. Второй режим работы - определение влажности материала на металлической поверхности с учетом фрактальной неоднородности.The device operates in two modes, the first mode is the mode of determining, evaluating the electrophysical and geometric (topological) inhomogeneities of the dielectric coating and determining the coefficient of non- mirroring of the surface. The second mode of operation is the determination of material moisture on a metal surface, taking into account fractal heterogeneity.

Переводят устройство в первый режим работы. С помощью круговой синфазной приемно-передающей рупорной антенны 13, питаемой УСВЧ через диодный переключатель 10 и волноводный Y - циркулятор 9, возбуждают медленную поверхностную Е - волну с длиной волны λг=2÷3 см вдоль магнитодиэлектрического покрытия 17 с неизвестными электрофизическими параметрами и толщиной покрытия b. С помощью приемных вибраторов блока 6, управляемых МПУ 3 через блок переключения и подмагничивания 5, производят сканирование поверхности покрытия в заданных границах ΔS и определяют в каждой точке измерений совокупность значений коэффициента нормального затухания поля αj, где j∈[1,..., n-1] - количество измерений по нормали к поверхности (по оси Y) /Патент РФ №2256165, МПК7 G01R 29/08, G01N 15/08; Опубл. 10.07.05, Бюл. №19/. В МПУ 3 запоминаются координаты точек сканирования и соответствующие им значения αj в каждой точке.Transfer the device to the first mode of operation. Using a circular in-phase receiving and transmitting horn antenna 13, fed by the UHF through a diode switch 10 and a waveguide Y-circulator 9, a slow surface E-wave with a wavelength of λ g = 2 ÷ 3 cm is excited along the magnetodielectric coating 17 with unknown electrophysical parameters and thickness coatings b. Using the receiving vibrators of block 6, controlled by the MPU 3 through the switching and magnetizing unit 5, the surface of the coating is scanned at the given boundaries ΔS and the set of values of the normal field attenuation coefficient α j is determined at each measurement point, where j∈ [1, ..., n-1] is the number of measurements along the normal to the surface (along the Y axis) / RF Patent No. 2256165, IPC 7 G01R 29/08, G01N 15/08; Publ. 07/10/05, Bull. No. 19 /. In MPU 3, the coordinates of the scanning points and the corresponding values of α j at each point are stored.

По полученным значениям αj в каждой дискретной точке поверхности определяют математическое ожидание

Figure 00000014
:The obtained values of α j at each discrete point on the surface determine the mathematical expectation
Figure 00000014
:

Figure 00000015
Figure 00000015

и дисперсию коэффициента затухания

Figure 00000016
как функцию геометрических и электрофизических параметров неоднородностей:and attenuation coefficient dispersion
Figure 00000016
as a function of geometric and electrophysical parameters of inhomogeneities:

Figure 00000017
Figure 00000017

Вычисляют среднеквадратическое отклонение коэффициента затухания поля

Figure 00000018
и определяется его среднее значение по всей площади сканирования. Сравнивают получившееся значение σαср с пороговыми значениями отклонения коэффициента затухания поля Δαпор.i, где i∈[1,..., N] - количество предварительно заданных дискретных значений Δαпор:The standard deviation of the field attenuation coefficient is calculated
Figure 00000018
and its average value over the entire scanning area is determined. Compare the resulting value of σ αav with threshold values of the deviation of the field attenuation coefficient Δα por.i , where i∈ [1, ..., N] is the number of predefined discrete values of Δα pore :

Δαcpi=|σαcp-Δαпор.i|.Δα cpi = | σ αcp -Δα por.i |.

Методом наименьших квадратов определяют зависимость Δαcpi=f(Δαпор.i) в виде линейной функции y=k·x+b, тангенс угла наклона которой есть фрактальная размерность:Is determined by least squares dependence Δα cpi = f (Δα por.i) as a linear function y = k · x + b, wherein a tangent angle of inclination is the fractal dimension:

Дf=tgα.D f = tgα.

Далее определяют коэффициент "незеркальности" сканируемой поверхности:Next, determine the coefficient of non-mirroring of the scanned surface:

Кнз=3-Дf.K ns = 3-D f .

Переводят измерительное устройство во второй режим работы. Устанавливают комбинированную приемно-излучающую антенну в центре площади сканирования. Перестраивают генератор СВЧ 1 на длину волны λг=0,45 см. Электромагнитная волна через управляемый МПУ 3 диодный переключатель 10 и второй волноводный Y - циркулятор 8 поступает на спиральную переменнофазную многощелевую антенну 15, угол наклона максимума ДН θгл которой зависит от величины длины волны λг возбуждающих СВЧ-колебаний.Transfer the measuring device to the second mode of operation. Install the combined receiving-emitting antenna in the center of the scanning area. The microwave generator 1 is tuned to a wavelength of λ g = 0.45 cm. The electromagnetic wave through a MPU 3 diode switch 10 and the second waveguide Y-circulator 8 is fed to a spiral alternating-phase multi-slot antenna 15, the angle of inclination of the maximum of the beam θ gl of which depends on the length waves λ g of exciting microwave oscillations.

Изменяя с помощью блока управления ГСВЧ 2, сопряженного с МПУ 3, и блока АПЧ 4 длину волны λг диодного генератора СВЧ, изменяют угол наклона ДН излучающей антенны /Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов. Под ред. Д.И.Воскресенского. - М.: Сов. Радио, 1972/ и добиваются минимума мощности отраженной волны в приемной части 13 комплексной антенны 7. Угол наклона максимума ДН θТг) излучающей антенны, при котором наблюдается эффект максимального поглощения падающей электромагнитной волны, будет равен углу Брюстера θБр.Changing the wavelength λ g of the microwave diode generator using the control unit of the UHF 2 associated with the MPU 3 and the AFC unit 4, the angle of inclination of the radiation emitting antenna / antenna and the microwave device is changed. Calculation and design of antenna arrays and their radiating elements. Ed. D.I. Voskresensky. - M .: Owls. Radio, 1972 / and achieve the minimum power of the reflected wave in the receiving part 13 of the complex antenna 7. The angle of inclination of the maximum of the beam θ Tg ) of the emitting antenna, at which the effect of maximum absorption of the incident electromagnetic wave is observed, will be equal to the Brewster angle θ Br .

Минимум мощности отраженной волны Pomp мин пропорционален минимуму критерия Qмин напряженности поля отраженной волны, в угловом спектре ДН, то есть в зоне существенной при отражении по максимуму ДН. Выражение для критерия Qмин для 2≤ε'≤10, 0≤ε''≤1 имеет вид:The minimum power of the reflected wave P omp min is proportional to the minimum of the Q min criterion for the field strength of the reflected wave in the angular spectrum of the radiation path, that is, in the zone essential when reflecting along the maximum of the radiation path. The expression for the criterion Q min for 2≤ε'≤10, 0≤ε''≤1 has the form:

Figure 00000019
Figure 00000019

где С - коэффициент пропорциональности, А=R(Δθ, ε', ε'') - коэффициент отражения:where C is the coefficient of proportionality, A = R (Δθ, ε ', ε' ') is the reflection coefficient:

Figure 00000020
Figure 00000020

Figure 00000021
Figure 00000021

Figure 00000022
Figure 00000022

B=F(λг, Δθ) - вид ДН щелевого излучателя:B = F (λ g , Δθ) is the type of bottom hole emitter:

Figure 00000023
Figure 00000023

θTг) - текущий угол наклона ДН, определяется выражениемθ Tg ) is the current angle of inclination of the beam, is determined by the expression

Figure 00000024
Figure 00000024

Δθ - переменная интегрирования по ширине ДН, изменяется в пределах Δθ - integration variable across the width of the beam, varies within

θTг мин)-Δθ0.5г мин)≤Δθ≤θтг мин)+Δθ0.5г мин),θ Tg min ) -Δθ 0.5g min ) ≤Δθ≤θ tg min ) + Δθ 0.5g min ),

θ0 - начальный угол наклона ДН

Figure 00000025
численно он равен 50,82,θ 0 is the initial angle of inclination of the beam
Figure 00000025
numerically it is 50.82,

Figure 00000026
и
Figure 00000027
- действительная и мнимая части комплексной диэлектрической проницаемости поверхностного слоя,
Figure 00000026
and
Figure 00000027
- the real and imaginary parts of the complex dielectric constant of the surface layer,

Δθ0.5г) - ширина диаграммы направленности:Δθ 0.5g ) - beam width:

Figure 00000028
где
Figure 00000029
Figure 00000028
Where
Figure 00000029

а=0,00355 [м] - размер широкой стенки волновода, d=0,003 [м] - длина излучающей щели, N=7 - количество щелей в антенне, λг=0,0045...0,0065 [м] - диапазон перестройки длины волны генератора, λгн=0,0045 [м] - начальная длина волны генератора.a = 0.00355 [m] is the size of the wide wall of the waveguide, d = 0.003 [m] is the length of the radiating slit, N = 7 is the number of slots in the antenna, λ g = 0.0045 ... 0.0065 [m] - tuning range of the wavelength of the generator, λ gn = 0.0045 [m] is the initial wavelength of the generator.

Аппроксимированное выражение минимума критерия отраженной мощности будет иметь вид:The approximated expression of the minimum criterion of reflected power will have the form:

Figure 00000030
Figure 00000030

Аппроксимированная зависимость λг мин от

Figure 00000031
и
Figure 00000032
имеет вид:The approximated dependence of λ g min on
Figure 00000031
and
Figure 00000032
has the form:

Figure 00000033
Figure 00000033

Математическое моделирование зависимости λг мин

Figure 00000034
показывает инвариантность λг мин
Figure 00000035
от вариации
Figure 00000036
и для приблизительных расчетов можно использовать формулу:Mathematical modeling of the dependence of λ g min
Figure 00000034
shows the invariance of λ g min
Figure 00000035
from variation
Figure 00000036
and for approximate calculations, you can use the formula:

Figure 00000037
Figure 00000037

Значение влажности поверхностного слоя определяют через мнимые части диэлектрических проницаемостей поверхностного слоя и свободной воды:The moisture value of the surface layer is determined through the imaginary parts of the dielectric constant of the surface layer and free water:

Figure 00000038
Figure 00000038

где

Figure 00000039
- дисперсионно-температурная зависимость мнимой части диэлектрической проницаемости свободной воды:Where
Figure 00000039
- dispersion-temperature dependence of the imaginary part of the dielectric constant of free water:

Figure 00000040
Figure 00000040

Кроме того, влажность поверхностного слоя можно определить также и через действительные части диэлектрических проницаемостей поверхностного слоя и свободной воды /Микроволновая термовлагометрия. / П.А.Федюнин, Д.А.Дмитриев, А.А.Воробьев, В.Н.Чернышев. - М.: Машиностроение - 1, 2004. - с.230/:In addition, the moisture of the surface layer can also be determined through the real parts of the dielectric permittivities of the surface layer and free water / microwave thermal moisture measurement. / P.A. Fedyunin, D.A. Dmitriev, A.A. Vorobyov, V.N. Chernyshev. - M.: Mechanical Engineering - 1, 2004. - p.230 /:

Figure 00000041
Figure 00000041

где

Figure 00000042
- дисперсионно-температурная зависимость действительной части диэлектрической проницаемости свободной воды:Where
Figure 00000042
- the dispersion-temperature dependence of the real part of the dielectric constant of free water:

Figure 00000043
Figure 00000043

εв - диэлектрическая проницаемость "сухого" (со связанной влагой) материала, определяемая по обобщенной формуле Рейнольдса и Хью:ε in - the dielectric constant of the "dry" (with bound moisture) material, determined by the generalized Reynolds and Hugh formula:

Figure 00000044
Figure 00000044

где ε0 - диэлектрическая проницаемость обезвоженного строительного материала, εсв - диэлектрическая проницаемость связанной воды (4,5-5,8) инвариантна изменению длины волны генератора λг и температуры t°C, t - температура материала или окружающей материал среды, °С, Wсв.в=0.05 - постоянная величина объемной влажности связанной воды. 0 where ε - dielectric constant of dehydrated building material, ε communication - the permittivity of bound water (4,5-5,8) is invariant under change in wavelength λ of the generator g and the temperature t ° C, t - temperature of the material or environment material, ° C , W St. in = 0.05 - a constant volumetric moisture content of bound water.

Рассчитывают действительную

Figure 00000045
и мнимую
Figure 00000046
части комплексной диэлектрической проницаемости поверхностного слоя из уравнений (1) и (2) и, решая (3) и (4), определяют среднее значение влажности поверхностного слоя Wn:Calculate Valid
Figure 00000045
and imaginary
Figure 00000046
parts of the complex dielectric constant of the surface layer from equations (1) and (2) and, solving (3) and (4), determine the average humidity of the surface layer W n :

Figure 00000047
Figure 00000047

Техническо-экономический эффект изобретения заключается в увеличении чувствительности и повышении точности измерения влажности поверхностного слоя Wn диэлектрического покрытия за счет учета мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости поверхностного слоя, ширины ДН излучателя, электрофизических неоднородностей покрытия и шероховатости его поверхности.The technical and economic effect of the invention is to increase the sensitivity and improve the accuracy of measuring the moisture content of the surface layer W n of the dielectric coating by taking into account the imaginary part of the complex dielectric constant of the surface layer, the emitter bottom width, the electrophysical inhomogeneities of the coating, and its surface roughness.

Как следствие, уменьшается погрешность измерения поверхностной влажности не хуже, чем в 2,5 раза на основании экспериментальных исследований на образцах с известной влажностью (с 10% у прототипа до 4% в предлагаемом способе).As a result, the error in measuring surface humidity decreases no less than 2.5 times on the basis of experimental studies on samples with known humidity (from 10% in the prototype to 4% in the proposed method).

Claims (2)

1. СВЧ-способ определения поверхностной влажности диэлектрических покрытий на металле, заключающийся в помещении исследуемого материала в высокочастотное электромагнитное поле с последующей регистрацией изменения параметров, характеризующих высокочастотное излучение, отличающийся тем, что по набору измеренных значений коэффициентов нормального затухания поля в каждой дискретной точке поверхности рассчитывают математическое ожидание, дисперсию и среднеквадратическое отклонение коэффициента нормального затухания поля, определяют среднее значение среднеквадратического отклонения коэффициента затухания поля σαср по всем точкам поверхности сканирования и сравнивают с пороговыми отклонениями коэффициента нормального затухания поля Δαпор.i, где i∈[1,..., N] - количество предварительно заданных дискретных значений Δαпор:1. The microwave method for determining the surface humidity of dielectric coatings on metal, which consists in placing the material under study in a high-frequency electromagnetic field, followed by recording changes in the parameters characterizing the high-frequency radiation, characterized in that the set of measured values of the normal field attenuation coefficients at each discrete point on the surface is calculated expectation, variance and standard deviation of the normal field attenuation coefficient, determine t average value of the standard deviation of the field attenuation coefficient σ αav over all points of the scanning surface and compare with threshold deviations of the normal field attenuation coefficient Δα por.i , where i∈ [1, ..., N] is the number of predefined discrete values Δα pore : Δαcp.i=|σαср-Δαnop.i|;Δα cp.i = | σ αavg -Δα nop.i |; определяют фрактальную размерность:determine the fractal dimension: Дf=tgα,D f = tgα, где α - угол наклона зависимости Δαcp.i=f(Δαпор.i),where α is the angle of inclination of the dependence Δα cp.i = f (Δα por.i ), и коэффициент "незеркальности" поверхности:and the coefficient of non-mirroring of the surface: Кнз=3-Дf;K ns = 3-D f ; устанавливают комбинированную приемно-излучающую антенну в центре площади сканирования и перестраивают генератор СВЧ на длину волны λг=0,45 см, по минимуму отраженной мощности Ротр. мин и длине волны генератора СВЧ λг. мин, соответствующей данному минимуму, рассчитывают действительную
Figure 00000048
и мнимую
Figure 00000049
части комплексной диэлектрической проницаемости поверхностного слоя из уравнений:
install a combined receiving-emitting antenna in the center of the scanning area and rebuild the microwave generator at a wavelength of λ g = 0.45 cm, the reflected power P neg at the minimum . min and the wavelength of the microwave generator λ g min corresponding to this minimum, calculate the actual
Figure 00000048
and imaginary
Figure 00000049
parts of the complex dielectric constant of the surface layer from the equations:
Figure 00000050
Figure 00000050
Figure 00000051
Figure 00000051
где С - коэффициент пропорциональности;where C is the coefficient of proportionality; определяют среднее значение влажности поверхностного слоя Wn, решая систему уравнений:determine the average humidity of the surface layer W n by solving the system of equations:
Figure 00000052
и
Figure 00000053
Figure 00000052
and
Figure 00000053
Figure 00000054
Figure 00000054
где
Figure 00000055
- дисперсионно-температурная зависимость действительной части диэлектрической проницаемости свободной воды:
Where
Figure 00000055
- the dispersion-temperature dependence of the real part of the dielectric constant of free water:
Figure 00000056
Figure 00000056
Figure 00000057
- дисперсионно-температурная зависимость мнимой части диэлектрической проницаемости свободной воды:
Figure 00000057
- dispersion-temperature dependence of the imaginary part of the dielectric constant of free water:
Figure 00000058
Figure 00000058
εв - диэлектрическая проницаемость "сухого" материала:ε in - dielectric constant of the "dry" material: εв00Wсв.всв0)[ε0+0,33(εсв0)]-1,ε in = ε 0 + ε 0 W St. inSt.0 ) [ε 0 +0.33 (ε St.- ε 0 )] -1 , где ε0 - диэлектрическая проницаемость обезвоженного строительного материала,where ε 0 is the dielectric constant of the dehydrated building material, εсв - диэлектрическая проницаемость связанной воды (4,5-5,8) инвариантна изменению длины волны генератора λг и температуры t°C,ε sv - dielectric constant of bound water (4.5-5.8) is invariant to a change in the wavelength of the generator λ g and temperature t ° C, t - температура материала или окружающей материал среды, °С,t is the temperature of the material or the environment surrounding the material, ° C, Wсв.в=0,05 - постоянная величина объемной влажности связанной воды.W St. in = 0.05 - a constant volumetric moisture content of bound water.
2. Устройство, реализующее способ по п.1, содержащее полупроводниковый генератор СВЧ с устройством управления, отличающееся тем, что содержит диодный переключатель, управляемый микропроцессорным устройством, к первому выходу диодного переключателя через Y - циркулятор с согласованной нагрузкой подключена рупорная приемно-излучающая часть комбинированной антенны с поглотителем затекающего тока и углом раскрыва, обеспечивающим удовлетворительное согласование со свободным пространством, ко второму выходу диодного переключателя через второй Y - циркулятор с согласованной нагрузкой подключена вторая часть антенны в виде спиральной волноводно-щелевой антенны с поглощающей (согласованной) нагрузкой, блока приемных вибраторов с блоком переключения и подмагничивания, управляемым микропроцессорным устройством, приемного зонда измерения мощности отраженной волны и устройства для измерения температуры окружающей среды, блока АПЧ по поиску минимума мощности отраженной волны, сопряженного с микропроцессорным устройством и устройством управления генератора СВЧ.2. The device that implements the method according to claim 1, containing a semiconductor microwave generator with a control device, characterized in that it contains a diode switch controlled by a microprocessor device, a horn receiving-emitting part of the combined connected to the first output of the diode switch through a Y-circulator with matched load antennas with a leakage current absorber and an aperture angle that provides satisfactory coordination with free space to the second output of the diode switch through The second Y - circulator with matched load connects the second part of the antenna in the form of a spiral waveguide-slot antenna with absorbing (matched) load, a block of receiving vibrators with a switching and magnetizing unit controlled by a microprocessor device, a receiving probe for measuring the power of the reflected wave and a device for measuring ambient temperature medium, AFC unit for finding the minimum power of the reflected wave, coupled with a microprocessor device and a control device of the microwave generator.
RU2006147026/28A 2006-12-27 2006-12-27 Uhf method for defining surface moisture of dielectric coatings on metal, and device for implementation of method RU2338179C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006147026/28A RU2338179C1 (en) 2006-12-27 2006-12-27 Uhf method for defining surface moisture of dielectric coatings on metal, and device for implementation of method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006147026/28A RU2338179C1 (en) 2006-12-27 2006-12-27 Uhf method for defining surface moisture of dielectric coatings on metal, and device for implementation of method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2006147026A RU2006147026A (en) 2008-07-10
RU2338179C1 true RU2338179C1 (en) 2008-11-10

Family

ID=40230409

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2006147026/28A RU2338179C1 (en) 2006-12-27 2006-12-27 Uhf method for defining surface moisture of dielectric coatings on metal, and device for implementation of method

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2338179C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2721156C1 (en) * 2019-08-16 2020-05-18 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Method of determining electrophysical parameters of metamaterials

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2721156C1 (en) * 2019-08-16 2020-05-18 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Method of determining electrophysical parameters of metamaterials

Also Published As

Publication number Publication date
RU2006147026A (en) 2008-07-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Umari et al. A free-space bistatic calibration technique for the measurement of parallel and perpendicular reflection coefficients of planar samples
KR20040020909A (en) Apparatus and method for microwave determination of at least one physical parameter of a substance
Jonard et al. Accounting for soil surface roughness in the inversion of ultrawideband off-ground GPR signal for soil moisture retrieval
US20040240512A1 (en) Permittivity based temperature measurement and related methods
Varadan et al. In situ microwave characterization of nonplanar dielectric objects
Li et al. Compact dielectric constant characterization of low-loss thin dielectric slabs with microwave reflection measurement
Sagnard et al. In situ measurements of the complex permittivity of materials using reflection ellipsometry in the microwave band: theory (Part I)
Haddadi et al. Contactless microwave technique based on a spread-loss model for dielectric materials characterization
RU2338179C1 (en) Uhf method for defining surface moisture of dielectric coatings on metal, and device for implementation of method
US10203202B2 (en) Non-contact determination of coating thickness
Fedorov et al. Comparison of the Measurement Accuracy of Material Sample Specular Reflection Coefficient for Two Types of Measuring Facilities
Sklarczyk Microwave, millimeter wave and terahertz (MMT) techniques for materials characterization
RU2594338C1 (en) Method of determining percentage content of water in dielectric-water mixture at changing water content in mixture in a wide range
RU2256165C2 (en) Microwave method for confining heterogeneities and metal ferrite coatings, and for evaluating their relative amount
RU2330268C2 (en) Uhf-method of controlling humidity of solid materials
Killough et al. Measuring the Moisture Content of Wood Sheathing with Continuous Wave Radars
Sagnard et al. Reflection and transmission ellipsometry data analysis for measuring the complex permittivity of a single‐layer material at microwave frequencies
RU2790085C1 (en) Method for remote measurement of complex dielectric permittivacy of plane layered dielectrics of natural origin
JP6989911B2 (en) Spectroscopic elements, measuring methods, and measuring devices
Kuznetsov et al. Practical aspects of active phased arrays characterization during thermal testing
Zhang et al. Design of reflectance measurement system for P-band portable absorbing materials
RU2721472C1 (en) Method of determining dielectric permeability of anisotropic dielectrics
RU2249178C2 (en) Super-high frequency method of measurement of dielectric permeability and thickness of dielectric plates
Bermond et al. A Microwave Frequency Range Experiment for the Measurement of Snow Density and Liquid Water Content
Völgyi Specifying the freshness of eggs using microwave sensors

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20081228