Физика влагометрии

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОЙ (МИКРОВОЛНОВОЙ ) ВЛАГОМЕТРИИ

Благодаря несимметричному расположению мостиков 0-Н, образующих угол 105°, молекула воды является "естественным" диполем. В связи с этим помещенная в переменное электромагнитное поле молекула воды начинает колебаться, разворачиваясь вдоль силовых линий (дипольная поляризация), что приводит к ослаблению (поглощению) электромагнитного импульса. Для абсолютного же числа других диэлектриков имеет место лишь электронная или атомная поляризация, не вызывающая заметного ослабления. Так, 1 см воды ослабляет радиоволновой сигнал (в СВЧ- диапазоне) в 10000 раз, в то же время сотни метров песка, глины, известняка и т.п. практически радиопрозрачны.

Поглощающую способность материала можно охарактеризовать, используя понятие "мнимой" диэлектрической проницаемости е''_м (е_м=е'_м -je''_м). В критическом (резонансном) диапазоне (3-30 ГГц) e '' воды приближается к 40 ед., в то время как для абсолютного большинства сухих материалов е''_{м ®} 0. Значение е''_м пропорционально коэффициенту поглощения исследуемого материала a_м, который, с некоторыми допущениями, может быть представлен следующим образом (6):

где l - собственная длина волны используемого СВЧ диапазона. Из графиков, представленных на рис.1,

Рис1.

видно, что в диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн выполняется неравенство:

e ''> > e ' . Учитывая сказанное, определение коэффициента поглощения смеси (a _см) сводится к решению достаточно простой практической задачи, известной в радиоинженерии как определение уровня ослабления радиоволн (N), проходящих через слой влажного материала:

N=8,7aLrW

^{где 8,7 - поправка, связанная с переходом от измерений в „нипперах" к ,ДБ";}

^{W - влажность, исследуемого материала;}

^{r - плотность материала;}

^{L - толщина материала;}

^{a - коэффициент поглощения воды.}

^{Так как коэффициент поглощения микроволн сухим материалом практически равен нулю, то теоретически не существует ограничений на повышение точности измерения влажности на микроволнах методом поглощения. На практике при определении предела точности необходимо учитывать: влияние температуры материала на величину коэффициента. поглощения a} В ^{(рис. 2), нестабильность плотности материала и неточность задания его толщины между передающей и приемной антеннами. Однако эти трудности преодолимы. Так как температурная зависимость коэффициента. поглощения известна, она легко компенсируется введением во влагомер дополнительного канала коррекции по температуре материала.}

^Рис.2

^{Стабильность параметра L обеспечить достаточно просто, расположив антенны на столь большом расстоянии, что его относительные флуктуации (вибрации, различные деформации и т.д) будут незначительны, Насыпная плотность формовочной смеси является функцией влажности и при конвейерных измерениях может быть заинтегрирована до приемлемых флуктуаций. В лабораторных измерениях “L” и “r ” задаются условиями эксперимента.}

^{На рис. 3 показана экспериментальная зависимость ослабления микроволн с частотой 10 ГГц от влажности формовочной смеси, применяемой в металлургии. Плотность формовочной смеси - 1,3 г/см3, толщина – 50 мм, измерения проводились в отрезке стандартного волновода методом замещения .}

^{Рис 3.}

^{Результаты хорошо описываются теоретическим выражением . Получающееся несколько завышенное значение a}см ^{по сравнению с коэффициентом поглощения свободной воды объясняется отражениями микроволн от границ раздела сред, что не учитывает приведенное выражение.}

^{Разумеется, все вышесказанное является всего-лишь начальным введением в технической науке, называемой микроволновой влагометрией. Более полную информацию можно найти в следующей литературе :}

^{1.Kraszewski A . Microwave aquametry – a bibliography //Journal of Microwave Power, 1980.Vol.15,N 4, p. 298-310.}

^{2. В.А. Викторов, Б.В.Лункин, А.С. Совлуков Радиоволновые измерения М.., Энергоатомиздат,1989.}

^{3. Бензарь В.К. Техника СВЧ влагометрии . Минск, Вышэшая школа, 1974.}

^{4. Теория и практика экспрессного контроля влажности твердых и жидких материалов.}

^{М.., Энергия, 1980.}