Устройство для определения температурной зависимости параметров диэлектриков

(71) Институт проблем материаловедения АН УССР(56) Авторское свидетельство СССР Р(. 1160332, кл, 6 01 й 27/26, 1985.Воробьев Е,А. и др, СВЧ-диэлектрики в условиях высоких температур.- М.; Сов. радио, 1977, с, 133.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ ПАРАМЕТРОВ ДИЭЛЕКТРИКА(57) Изобретение относится к технике измерений на СВЧ и может использоваться для определения температурной зависимости параметров твердых диэлектриков в условиях высокотемпературного динамического нагрева концентрированной солнечной энергией. Целью изобретения является повышение точности измерения и упрощение конструкции устройства. Устройство для определения температурной зависимости параметров диэлектриков содержит В,ПаИзвесттемператудиэлектрикрезонаторчем измерет собойрезонаторрого поме Изобретение относится к технике измеений на СВЧ и может использоваться ля определения относительной диэлектической проницаемости Е, тангенСа уга диэлектрических потерь ц д твердых иэлектриков в широком диапазоне темпеатур вплоть до температур разрушения поледних. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР(5)5 6 01 М 22/00, 6 01 В 27/ измерительный СВЧ-тракт, выполненный в виде фокусирующей антенны, соединенной с выходом СВЧ-генератора, приемной антенны, соединенной с измерительным входом амплифазометра, опорный вход которого соединен с выходом опорного тракта, вход которого соединен с выходом СВЧ-генератора, и нагреватель исследуемого образца, выполненный в виде концентратора солнечной энергии, центральная часть которого выполнена в виде эллиптического отражателя, являющегося одновременно отражателем фокусирующей антенны, в первом фокусе которого размещен излучатель, а во втором - исследуемый образец.опорный тракт образован вспомогательными приемной и передающей антеннами, вход и выход которых является соответственно входом и выходом опорного тракта, ось концентратора солнечной энергии совмещена с осью эллиптического отражателя фокусирующей3 в антенны, периферическая часть концентратора солнечной энергии выполнена в виде парабалоида, фокус которого совпадает с вторым фокусом эллиптического отражателя.1 ил. но устроиство для измерения рной зависимости параметров ов, содержащее измерительный и нагревательный элемент, приительный резонатор представляобьемный цилиндрический Н типа на торцевую стенку котощается образец диэлектрика, 176220210 20 25 30 35 40 45 50 55 Однако это устройство имеет недостаточный интервал температур исследования,. ограниченный температурой плавлениясплава, из которого изготовлен измерительный резонатор, Кроме того, это устройствоне позволяет реализовать измерения в условиях динамического нагрева,Известно устройство для измерениятемпературной зависимости параметровдиэлектриков, содержащее нагревательныйэлемент, выполненный в виде концентратора солнечной энергии, и измерительныйтракт, выполненный в виде проходного открытого резонатора, представляющего собой систему двух сферических зеркал содинаковыми радиусами кривизны, но сразными диаметрами, причем зеркало сбольшим диаметром является одновременно концентратором солнечной энергии.Однако это устройство, обладая достаточно высокой точностью и неограниченным температурным диапазоном, имеетнедостаток присущий всем резонаторнымметодам, а именно необходимость статического режима нагрева (достижение равномерности нагрева по всему обьему поистечении определенного времени) образца исследуемого диэлектрика, что приводитк необходимости длительной выдержки образца материала при высокой температуре.Это зачастую, особенно в случае композиционных диэлектрических материалов, приводит к перерождению исходной структурыдиэлектрика и получению информации, несоответствующей реальным условиям работы материала,Наиболее близким техническим решением к предложенному является устройстводля измерения параметров диэлектриковпри нагревесодержащее СВЧ-тракт, выполненный в виде антенны, соединенной с входом эмплифазометра, опорный входкоторого соединен с выходом опорноготракта, нагреватель.Однако это устройство обладает следующими недостатками.Используемый источник нагрева - плазменная струя - существенно затрудняетосуществление непрерывных измерений вшироком диапазоне частот в силу экрэнирующих свойств плазмы. Химическое взаимодействие струи плазмотрона с исследуемым обьектом затрудняет измерение особо чистых материалов.Плазмотрон является достаточно сложным техническим агрегатом,Цель изобретения - повышение точности измерений в условиях динамического нагрева при упрощении конструкции устройства,Цель достигается тем, что в устройстве для измерения температурной зависимости параметров диэлектрика в условиях высокотемпературного динамического нагрева, содержащем измерительный СВЧ-тракт,выполненный в виде фокусирующей антенны, соединенной с выходом СВЧ-генератора, приемной антенны, соединенной с измерительным входом эмплифазометра, опорный вход которого соединен с выходом опорного тракта, и нагреватель исследуемого образца, согласно изобретению нагреватель исследуемого образца выполнен в виде концентратора солнечной энергии, центральная часть которого выполнена в виде эллиптического отражателя, являющегося одновременно отражателем фокусирующей антенны, в первом фокусе которого размещен излучатель, а во втором образец. опорный тракт образован вспомогательными приемной и передающей антеннами, ось параболического концентратора совмещена с осью эллиптического отражателя СВЧ-тракта, периферическая часть. концентратора выполнена в виде параболоида, фокус которого совпадает с вторым фокусом эллиптического отражателя.На чертеже приведена конструкция устройства для измерения температурной зависимости параметров диэлектрика.Заявляемое устройство содержит нагревательный элемент, выполненный в виде концентратора 1 солнечной энергии с переменной кривизной поверхности, измерительный канал, выполненный в виде системы передающей фокусирующей антенны 2, образованной совокупностью облучающего рупора 3 и фокусирующей поверхности, являющейся центральной частью концентратора 1 солнечной энергии, и приемкой рупорной антенны 4, передающую рупорную антенну 5 и приемную рупорную антенну 6, образующих дополнительный участок свободного пространства, включенный параллельно участку свободного пространства измерительного канала, источник 7 СВЧ-сигнала, соединекный со входами аблучающего рупора 3 и передающей рупорной антенны 5, блок 8 преобразования частоты, соединенный с выходами приемной рупоркой антенны 4, приемной рупорной антенны 6 и со входом фазометра 9 низкой частоты, выход которого соединен со входом регистратора 10, ходовой винт 11 с двумя резьбами, на которых закреплены держатель 12 образца 13 и приемные рупорные антенны 4 и 6, фотоэлектрический пирометр 14, ряд термопар. заделанных на различной глубине от нагреваемой поверх 17 б 220210 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ности, последняя из которых расположена на теневой границе образца,Термопары ориентированы перпендикулярно вектору электрического поля и на чертеже не показаны.Устройство для измерения температурной зависимости параметров диэлектриков в условиях высокотемпературного динамического нагрева работает следующим образом,Двухпрофильное зеркало 1, периферическая часть которого имеет параболический профиль, а центральная эллиптический, является одновременно концентратором солнечной энергии, используемой для нагрева образца 13 диэлектрика и элементом передающей антенны, фокусирующей электромагнитную волну, излучаемую рупором 3, раскрыв которого помещен в первом фокусе эллипса, Образец 13 размещен в точке на оси оптической системы, где совмещены фокус параболы и второй фокус эллипса. Поверхность концентратора солнечной энергии, имеющая параболический профиль, набрана из отдельных зеркальных фацет таким образом, что на нагреваемой поверхности образца формируется радиально однородный лучистый тепловой поток, под воздействием которого происходит непрерывное изменение распределения температуры по глубине образца Т (х) и, соответствующее этому изменению, изменение распределения диэлектрических параметров я(х) и тд д(х), которое в свою очередь определяет в каждый момент времени значение комплексного коэффициента прохождения электромагнитной волны через образец исследуемого диэлектрика. Задачей методики измерений, реализуемой на заявляемом устройстве является определение температурной зависимости параметров диэлектриков я(Т) и тд дЩ по измеренному температурному полю в образце Т(хд), т.е. профилю температур в любой момент времени, и массиву измеренных значений комплексного коэффициента прохождения х =т(1). Реализация радиоизмерений осуществляется следующим образом,Подвергаемый одностороннему высокотемпературному динамическому нагреву образец 13 включен в измерительный канал (элементы 2,3,4 - часть измерительного канала) мостовой схемы, опорный канал который содержит самостоятельный участок свободного пространства, образованный рупорными антеннами 5 и б, расположенный. параллельно участку свободного пространства измерительного канала,Кольцо мостовой схемы замыкается на балансном смесителе, расположенном в блоке 8 преобразования частоты, В измерительный канал мостовой схемы включен однополосный модулятор низкой частоты Е, что ведет к появлению одной боковой частоты в несущей частоте 1 сигнала измерительного канала, т.е. на выходе модулятора мы имеем сигнал с частотой 1 о+Е. Смешение сигналов измерительного и опорного каналов в балансном смесителе приводит к выделению сигнала низкой частоты Е, на который линейно перенесены изменения амплитуды и фазы сигнала измерительного канала. Далее сигнал частоты Е в блоке 8 разветвляется на два канала, в одном из которых происходит его преобоазование в сигнал постоянного напряжения. уровень которого пропорционален амплитуде сигнала. измерительного канала. после чего сигнал постоянного напряжения подается для измерения и регистрации на регистратор 10, например, светолучевай осциллограф марки Н 071-3, По второму каналу сигнал частоты Е подается для автоматического измерения фазы на один из входов стандартного фазометра, 9 низкой частоты, например, марки Ф 2-16, На второй вход фазометра в качестве опорного сигнала подается сигнал частоты Е с кварцевого генератора, расположенного в блоке преобразования частоты и выполняющего роль генератора модулирующей частоты, С выхода фазометра сигнал постоянного напряжения, пропорциональной приращению фазы сигнала измерительного канала подается для измерения и регистрации на регистратор 10, Таким образом, регистратор 10 непрерывно регистрирует сигналы, несущие информацию об изменении амплитуды и фазы сигнала СВЧ измерительного канала, т.е. регистрирует изменение величины комплексного коэффициента прохождения т электромагнитной волны, зондирующей образец 13, подвергаемый высокотемпературному одностороннему динамическому нагреву.Температурное поле в образце рассчитывается по измеряемым в процессе нагрева значениям температуры в опорных точках образца, две из которых расположены на плоскостных границах, а остальные на различной глубине от нагреваемой поверхности. Температура нагреваемой поверхности измеряется бесконтактным способом, например фотоэлектрическим пирометром 14, работающим в провале солнечного спектра, температура в остальных точках - с помощью термопар.1762202 Составитель Е, ФридрикТехред М.Моргентал Корректор И, Шулла Редактор Заказ 3255 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101(модуль и фаза коэффициента прохождения) 5измерения, осуществляемые в динамикепроцесса нагрева, являются достаточнымидля организации алгоритма обработки этихданных, основанного на приемах теории идентификации систем с распределенными параметрами, с целью определения темпе ратурнойзависимости параметров диэлектриков в условиях высокотемпературного динамическогонагрева при заданных темпах роста температуры нагреваемой поверхности образца материала исследуемого диэлектрика.Положительным эффектом заявляемогоустройства в сравнении с прототипом являетсяувеличение точности измерений температурной зависимости параметров диэлектриков 20к ( Т ) и то д (Т) связанное с новой возможностью достаточно точного измерения модуля ифазы коэффициента прохождения, определяемой использованием автономного генератора,наличием фазовых измерений и предлагаемой 25конструкцией антенной системы и концентратора солнечной энергии,Формула изобретенияУстройство для определения температурной зависимости параметров диэлектри ков, содержащее измерительный СВЧ- тракт, выполненный в виде фокусирующей антенны, соединенной с выходом СВЧ-генератора, приемной антенны, соединенной с измерительным входом амплифазометра, опорный вход которого соединен с выходом опорного тракта, вход которого соединен с выходом СВЧ-генератора, и нагреватель исследуемого образца, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений и упрощения конструкции устройства, йагреватель исследуемого образца выполнен в виде концентратора солнечной энергии, центральная часть которого выполнена в виде эллиптического отражателя, являющегося одновременно отражателем фокусирующей антенны, в первом фокусе которого размещен излучатель, а во втором - исследуемый образец, опорный тракт образован вспомогательными приемной и передающей антеннами, вход и выход которых является соответственно входом и выходом опорного тракта, ось концентратора солнечной энергии совмещена с осью эллиптического отражателя фокусирующей антенны, периферическая часть концентратора солнечной энергии выполнена в виде параболоида, фокус которого совпадает с вторым фокусом эллиптического отражателя.О