ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

Фаді Мохамад Хаммуд

УДК 543.275.1: 681.586

ФІЗИЧНІ АСПЕКТИ РОЗВИТКУ НВЧ ВОЛОГОМЕТРІЇ

ДИСПЕРСНИХ СЕРЕДОВИЩ

Спеціальність 01.04.01 – фізика приладів, елементів і систем

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Харків – 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Харківському національному університеті радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор

Гордієнко Юрій Омелянович,

Харківський національний університет радіоелектроніки,

завідувач кафедри мікроелектроніки, електронних

приладів та пристроїв

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник

Фісун Анатолій Іванович,

Інститут радіофізики і електроніки ім. О.Я. Усикова

НАН України (м. Харків),

провідний науковий співробітник;

доктор фізико-математичних наук, доцент

Ємець Борис Григорович,

Харківський національний університет ім.. В.Н. Каразіна,

професор кафедри біологічної та медичної фізики

Провідна установа: Сумський державний університет,

кафедра прикладної фізики

Захист відбудеться “___” _________ 2006 р. о ___ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 64.052.04 Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою:

61166, м. Харків, пр. Леніна, 14, ауд. 13.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

Автореферат розісланий “___” _________ 200 р.

Вчений секретар

Спеціалізованої вченої ради Бородін Б.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Вода, як і кисень, у різних станах може бути присутня в усіх середовищах і часто значною мірою обумовлює їх фізичні та хімічні властивості. Тому вимірювання кількості вологи, що міститься у матеріалах, середовищах та об’єктах різного походження, – вологометрія – є важливою складовою їх досліджень і оцінок фундаментальних та прикладних характеристик.

Найбільш поширеним методом вологометрії є так званий гравіметричний, що базується на зважуванні проби чи об’єкта у стані дослідження і після видалення вологи, часто шляхом висушування. Різниця ваги дорівнює величині видаленої із об’єкта вологи і тим в більшій мірі відповідає його вологості, чим більш повно проводиться її видалення. Цей метод став практично класичним і, як правило, використовується для вимірювання кількості хімічно незв’язаної води. Недоліками його є неекспресність та руйнівність, що неуможливлюють дослідження кінетики ряду процесів, пов’язаних з присутністю вологи, крім того, неекспресність ускладнює технологічне використання гравіметричного методу у більшості виробництв.

Одним із найбільш поширених альтернативних методів, позбавлених вказаних недоліків, є надвисокочастотний (НВЧ) метод вологометрії. Він представлений декількома варіантами, що відрізняються наповненням фізичних принципів, покладених в основу. Так, варіант вимірювання у вільному просторі базується на визначенні залежності параметрів поглинання чи відбиття електромагнітних хвиль від вологості зразка, розташованого між передавальною та приймальною антенами. Резонаторний варіант – на визначенні залежності параметрів НВЧ резонатора від вологості зразка, що включається в його електромагнітне поле. Ці та інші варіанти майже завжди передбачають градуювання по гравіметричному методу, тому подробиці фізичного принципу можуть розглядатися тільки з позиції потрібної чутливості та випадкової похибки.

Однак експериментальне градуювання розраховане при цьому на даний конкретний НВЧ пристрій чи систему вологовимірювання, конкретний матеріал досліджуваного зразка, його форму, розміри та інше. Тому зміна якогось із елементів вимірювальної системи, чи їх параметрів потребує переградуювання, або визначення величини систематичної похибки. Ці обставини значно зменшують використання НВЧ вологометрії на практиці.

Проблема теоретичного градуювання НВЧ вологовимірювачів, яке значно розширить їх використання, повинна вирішуватися як через удосконалення наповнення базових фізичних принципів, так і через створення адекватних моделей вимірювальних систем.

Фактично, у всіх варіантах НВЧ вологометрії в явному або неявному вигляді присутнє базування на принципі залежності комплексної НВЧ ефективної діелектричної проникливості (ЕДП) зразків від вмісту в них води.

Тому, насамперед, потрібно вирішити питання теоретичного відтворення залежності НВЧ ЕДП вологовмістних середовищ і об’єктів від кількості присутньої в них води для зразків різної природи, стану, параметрів структури і т.п. Теорія НВЧ ЕДП вологовмістних газів та неполярних рідин вже розроблена. Теорія ЕДП вологовмістних твердих середовищ в універсальному вигляді відсутня. Це обумовлено складністю формулювання та вирішення задачі оцінки поляризації довільного по структурі, складу, властивостям середовища в довільному електромагнітному полі. В зв’язку з цими обставинами доцільно орієнтувати наповнення фізичних принципів реалізації НВЧ вологометрії на можливість теоретичного моделювання ЕДП деяких найбільш поширених середовищ, зокрема, дисперсних.

Крім того, в створенні технічних засобів НВЧ вологометрії відсутній підхід, орієнтований на їх теоретичне градуювання для вимірювання ЕДП різних зразків.

Все сказане вище обумовлює актуальність розвитку покладених в основу НВЧ вологометрії фізичних принципів у напрямку теоретичного моделювання НВЧ ЕДП досліджуваних середовищ та оптимізації взаємодії НВЧ поля зі зразками по основним метрологічним критеріям.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до наукового напрямку кафедри мікроелектроніки, електронних приладів та пристроїв Харківського національного університету радіоелектроніки. Дисертація є складовою частиною держбюджетних НДР, що виконуються на кафедрі (номери держреєстрації 0197U012142, 0100U001343).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розвиток фізичних принципів НВЧ вологометрії дисперсних середовищ у напрямку удосконалення метрологічної ефективності відповідних сенсорів.

Для досягнення поставленої мети вирішувались таки наукові питання:

1. Фізико-математичне обґрунтування нового принципу чисельно-аналітичного моделювання НВЧ ЕДП дисперсних середовищ, що відповідає умовам наближення градуювання резонаторних первинних вимірювальних перетворювачів (РПВП) до теоретичного.

2. Дослідження властивостей запропонованої моделі у напрямку врахування нею залежності ЕДП від щільності середовища, його гетерогенності, розміру часток основного матеріалу, ступеня полідисперсності та т.п.

3. Фізичне обґрунтування підходів у створенні оптимальних РПВП, відповідно критеріям точності теоретичного градуювання при вимірюванні ЕДП, мінімізації впливу домінуючих заважаючих факторів, та доступності адаптації до різних умов вимірювання вологості дисперсних середовищ (наприклад, без підготовки проби; малі об’єми; на потоці; висока локальність).

Об’єкт і предмет дослідження. Об’єктом дослідження є фізичні процеси взаємодії електромагнітних коливань НВЧ резонаторних систем з вологовмістимими дисперсними середовищами.

Предмет дослідження – НВЧ ефективна діелектрична проникливість вологовмістимих дисперсних середовищ та резонаторні первинні вимірювальні перетворювачі для НВЧ вологовимірювальних систем з можливістю теоретичного градуювання.

Методи дослідження. Обґрунтування та розробка моделі НВЧ ЕДП дисперсних середовищ проведені з використанням широко апробованої теорії одномодових регулярних об’ємних резонаторів з багатошаровим діелектричним або напівпровідниковим заповненням. Чисельне дослідження властивостей РПВП з коаксіальною апертурою виконано на базі аналітичних алгоритмів, які формувались відповідно з досить розвинутої теорії НВЧ дифракції на отворах.

Обґрунтованість і достовірність результатів. Отримані результати моделювання НВЧ ЕДП дисперсних середовищ підтверджені експериментальною перевіркою в окремих точках. Залежності характеристик перетворення РПВП, установлені в результаті проведених досліджень підтверджені у найбільш особливій області екстремумів даними вирішення відповідних електродинамічних задач у строгій постановці.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше запропонована і обґрунтована фізична числово-аналітична модель НВЧ ЕДП дисперсних середовищ, що базується на оцінюванні резонансної частоти та добротності об’ємного регулярного резонатора з частковим заповненим багатошаровим гетерогенним середовищем при умовах існування суттєвої долі нормальної до площини шарів електричної складової електромагнітного коливання робочого виду і відповідності товщини та електричних параметрів шарів розмірам і параметрам складових дисперсної системи.

2. Встановлена якісна відповідність залежностей ЕДП запропонованої моделі від вологовмісту, щільності, НВЧ електричних властивостей часток та їх розміру даним відомих експериментів та основних наближених теорій.

3. Запропоновано та досліджено три фізично відрізнених варіанти побудови РПВП з коаксіальною вимірювальною апертурою для вимірювання вологості без спеціальної підготовки проби; малих об’ємів проби з низьким вологовмістом; середовищ на потоці.

4. Установлено залежності фундаментальних сигналів вимірювальної інформації від параметрів конструктиву РПВП та діелектричних властивостей вологовмісних середовищ, що доцільно покласти в основу оптимізації НВЧ вологовимірювальних систем та їх теоретичного градуювання.

Практичне значення одержаних результатів. Обґрунтовані в дисертації положення дозволяють виконувати теоретичне градуювання НВЧ резонаторних вологомірів для найбільш поширених дисперсних середовищ. Це обумовлює можливість розробки відповідних технічних засобів більш універсального призначення порівняно з існуючими.

Окрім того, проведений розвиток фізичних принципів НВЧ вологометрії створює умови для оптимального проектування РПВП різного застосування,

а також ефективного зменшення впливу заважаючих факторів. Запропонована модель НВЧ ЕДП буде корисною для більш масштабного дослідження фізичних властивостей різних дисперсних середовищ та матеріалів, в тому числі для нанотехнологій.

Особистий внесок здобувача. Автором особисто виконані числові дослідження особливостей взаємодії електромагнітного поля одномодових Е і Н резонаторів з багатошаровими середовищами та проведена оцінка відповідних значень їх ЕДП [2, 7]. Обґрунтовані фізичні аспекти оптимізації РПВП різного використання [1, 3, 5, 6]. Проведено числове дослідження залежності фундаментальних сигналів РПВП з коаксіальною вимірювальною апертурою від параметрів їх геометрії та властивостей зразків [3]. Виконані необхідні для підтвердження моделей експериментальні дослідження. Узагальнені фізичні висновки досліджень [4, 7, 8].

Апробація результатів роботи. Результати роботи доповідалися й обговорювалися на таких міжнародних конференціях і симпозіумах: 8-й Міжнародний молодіжний форум “Радіоелектроніка і молодь в XXI столітті” (2004 р., м. Харків); 10-а Ювілейна міжнародна наукова конференція “Теорія і техніка передачі, прийому та обробки інформації” (2004 р., м. Туапсе, Росія); 15-а Міжнародна Кримська конференція “НВЧ-техніка і телекомунікаційні технології” (2005 р., м. Севастополь, Україна); 2nd International Conference on Physics of Laser Crystals (2005, Yalta, Ukraine).

Публікації за темою дисертації. Матеріали дисертації опубліковані в 8 наукових працях, у тому числі в 4 статтях, опублікованих у наукових фахових виданнях, що входять до переліку ВАК України [1-4], а також у 4 збірниках доповідей міжнародних конференцій [5-8].

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновку, списку використаних джерел. Повний обсяг дисертації складається з 127 сторінок, з них 11 стор. – список використаних літературних джерел (115 найменувань). Всього у дисертації 44 рисунка і 2 таблиці.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, доцільність проведення досліджень та їх зв’язок з науковим напрямком кафедри, сформульовано мету і завдання роботи, наведено наукову новизну отриманих результатів та їх практичну цінність, розглянуто особистий внесок здобувача і приведено відомості про апробацію (публікацію) основних положень дисертаційної роботи.

У першому розділі проведено аналіз стану проблеми удосконалення НВЧ вологомірів різних середовищ до рівня розробки універсальних технічних засобів з можливостями теоретичного градуювання. Показано, що вирішення цієї проблеми потребує розв’язання двох фундаментальних задач: а) створення строгої теорії НВЧ ЕДП вологовмістимих середовищ; б) фізико-математичне забезпечення адекватного моделювання первинних вимірювальних перетворювачів (ПВП).

Огляд попередніх розробок, пов’язаних з цими задачами, показав, що вказана проблема практично вирішена для НВЧ гігрометрії. Можливість вирішення першої задачі також існує для НВЧ вологометрії неполярних рідинних середовищ.

Для твердотілих середовищ навіть не існує постановки цих задач у зв’язку з суттєвою складністю їх вирішення. Це обумовлено, в першу чергу, широким різноманіттям макро- та мікроструктури твердотілих середовищ і, відповідно, станів води в них. З цієї причини неможливо створити єдину універсальну теорію НВЧ ЕДП твердотілих водовмістимих середовищ. Тому подальший огляд попередніх розробок проводився з позицій потреби вирішення вказаної проблеми для дисперсних середовищ, як обумовлено метою дисертації. Відповідно до умов вимірювання вологості таких середовищ також аналізується стан розробки ПВП.

У першій частині розділу основна увага приділена аналізу існуючих формул для ЕДП дисперсних середовищ. Насамперед, на базі оцінок частотної залежності обох складових комплексної діелектричної проникливості (ДП) води у різних станах (з домішками, при різних температурах та інше) зроблено висновок щодо вибору робочого діапазону частот. При цьому діапазон 1010...41010 Гц визнано найбільш доцільним у зв’язку зі слабкою залежністю від структури входження вільної води в речовину, наявності домішок та суттєвою різницею їх значень зі складовими ДП сухої речовини для поширених матеріалів.

Аналізуються існуючі формули ЕДП дисперсних водовмістимих середовищ на НВЧ. Виявлено, що найбільш придатними можна було б вважати формули ЕДП, що витікають з теорії оптичного розсіювання в таких середовищах. Однак, потреба оцінювати усереднені по розмірам часток “амплітуди розсіювання вперед” часток, покритих вологою та капель води значно затрудняє їх використання для адекватного моделювання НВЧ ЕДП.

Разом з тим вказані дослідження важливі та корисні для порівняння і фізичних роздумів. Насамперед, ЕДП дисперсних середовищ обумовлюється нелокальною взаємодією їх часток з електромагнітним полем. Крім того, розмір та форма часток суттєво будуть проявлятися при короткохвильовому наближенні.

У другій частині розділу проведено аналіз розробок способів НВЧ вологометрії сипучих матеріалів. Виявлено, що більшість із них базується на використанні у якості ПВП системи на основі передавальної та приймальної антен зі зразком між ними. При цьому вихідні сигнали вимірювальної інформації формуються у вигляді вимірів коефіцієнта поглинання та фазового зсуву проникаючої через зразок хвилі. Інші варіанти подібних способів, що взагалі ми назвали “трактовими електродинамічними”, відрізняються хвилеводною системою та вибором вимірюваних параметрів взаємодіючої зі зразком хвилі, що через нього проходить. При цьому фізичний принцип зберігається. Загальним є також виключно

експериментальне градуювання НВЧ вологоміра, що виключає звернення до ЕДП.

Деяке розповсюдження отримали способи, що використовують у якості ПВП резонаторну систему. Частіше всього зразок розміщується безпосередньо в резонуючому об’ємі. Вихідними сигналами вимірювальної інформації вибирають зміну резонансної частоти та добротності, або коефіцієнт передачі резонатора, пов’язаних з введенням в його поле зразка. Подібно першій групі способів ведеться експериментальне градуювання вологомірів, а виміри ЕДП не виділяються.

Недоліками експериментального градуювання є його індивідуальний характер, що передбачає переградуювання при зміні матеріалу, форми та геометрії зразка, а також при зміні якогось з функціональних елементів НВЧ системи.

Корисними у більшості цих розробок є експериментальні дослідження впливу на результати НВЧ вологометрії такого заважаючого фактора, як щільність проби зразка. Вироблено ряд підходів у формуванні комбінованої вимірювальної інформації, яка майже інваріантна до зміни щільності.

В третій частині приділено увагу деяким деталям існуючої теорії та практики ПВП, зокрема тих, що суттєво впливають на градуювання НВЧ вологомірів дисперсних середовищ. Наприкінці зроблено висновок, що РПВП мають перевагу при вирішенні задачі теоретичного градуювання без втрат чутливості завдяки більшій локалізації поля в зразку і відповідно, меншого впливу зовнішніх вад. Окрім того, такі ПВП дозволяють керувати структурою поля відносно вкладу різних його компонент.

У другому розділі викладені теоретичні положення, що дозволяють сформувати строгу чисельно-аналітичну модель для дослідження особливостей взаємодії багатошарової структури з електромагнітним полем полого одномодового регулярного резонатора при умові суцільного заповнення його поперечного перерізу цією структурою. Метою таких досліджень є установлення можливості моделювати ЕДП дисперсійних середовищ шляхом оцінки ЕДП відповідних багатошарових структур у трьохмірному НВЧ електричному полі резонатора.

Схематично така резонаторна система з багатошаровою структурою представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схематичне зображення регулярного резонатора

з багатошаровою структурою.

Одномодовість, регулярність та суцільне заповнення поперечного перерізу резонатора дозволяє строго записати вирази компонент поля резонансного коливання в усіх частинах об’єму, включаючи кожен шар структури, в залежності від параметрів заповнення. Задовільняючи граничним умовам в роботі було одержано два види характеристичних співвідношень для такої системи, які можна розповсюджувати на довільну кількість шарів у структурі.

В одному випадку вони мають вигляд:

(1)

У другому це буде характеристичне рівняння з розгалуженнями у правій частині

. (2)

Тут використані слідуючи величини:

; – для резонатора з Н-видом коливань; – для резонатора з Е-видом коливань. Інші величини можна уяснити з рис. 1.

Отримані співвідношення, кожне окремо, дозволяють вираховувати резонансну частоту системи та її добротність в залежності від параметрів структур ; включення його в поле резонатора ; геометрії резонатора через .

Важливою їх особливістю є можливість нескладно нарощувати , та довільно змінювати параметри шарів, не виходячи за рамки фізичного існування резонансних властивостей системи.

Ці співвідношення фізично рівноцінні. Вибір робочого співвідношення залежить від програмного забезпечення, що використовується для числового дослідження та особливостей їх організації.

Користуючись даними обчислень можна поставити фактично зворотню задачу знаходження ЕДП досліджуваної багатошарової структури. Для цього потрібно знайти відповідаючи значення та з рівняння

, (3)

у якому ; ,

. (4)

Як і слід було чекати, найдені за таким алгоритмом значення для заданої N шарової структури відрізняються для резонаторів з Н- і Е-видами коливань. Фізично це обумовлено відсутністю перпендикулярної до площини структури складової НВЧ електричного поля при Н-виді коливань.

При наближенні значень до єдиної величини значення починають їй відповідати для обох видів коливань, що підтверджує адекватність моделі оцінки .

Важливо відмітити, що по даним досліджень у обох випадках залежить від та при невеликих , що на наш погляд відображає нелокальність взаємодії в системі.

У третьому розділі приводяться результати дослідження чисельно аналітичної моделі ЕДП дисперсних середовищ, що базується на особливостях взаємодії багатошарового середовища с електромагнітним полем одномодового регулярного резонатора з Е-видом коливання.

Для завершеного формування моделі проведено дослідження складових ЕДП двокомпонентних багатошарових структур у полі резонаторів з Е- та Н-видом коливань, визначуваних по описаному у розділі 2 алгоритму. В числових дослідженнях робочими видами коливань були взяті Н011 і Е021 на частоті f0 = 1010 Гц.

Зокрема, досліджена залежність цих складових від кількості двошарових чарунок в структурі; параметру , співвідношення товщини та діелектричних параметрів шарів у чарунці. На рис. 2 показана залежність і від для поля резонатора з Е-видом коливань при різному співвідношенні товщини шарів у чарунці. При цьому 1 = 1; tg1 = 10-1; 2 = 15; tg2 = 0,2, що може відповідати нещільному однокомпонентному дисперсному середовищу.

Рис. 2. Залежність складових ЕДП багатошарової двокомпонентної структури від кількості чарунок:

1 – h1/h2=0,99; 2 – h1/h2=9; 3 – h1/h2=4; 4 – h1/h2=1;

5 – h1/h2=0,25; 6 – h1/h2=1/9; 7 – h1/h2=1/99.

Очевидне існування насичення складових ЕДП при та відповідності значенням при повній щільності . Аналогічні дослідження ЕДП в полі коливання Н-виду показують появу насичення при .

Таким чином, допустимо зробити слідуючий кінцевий висновок: ЕДП дисперсного середовища можна моделювати шляхом оцінки її складових для багатошарової структури у трьохмірному полі (наприклад, Е-виду коливань у резонаторі) при та відповідності параметрів шарів параметрам компонент дисперсного середовища.

Далі наводяться данні залежностей від параметру ; ; ; – компонент. Слід відмітити суттєвий прояв залежностей від при співвідношенні 10-5 > hi /0 >10-3.

У другій частині розділу наведені результати дослідження моделі ЕДП нещільних однокомпонентних середовищ та результати експерименту з порошком полістиролу, щільність якого змінювалась контрольованим стисканням безпосередньо в установці. Задовільне співпадання їх з теорією свідчить про коректність моделі.

Виконано також дослідження залежності ЕДП від дисперсності середовища, що оцінювалось розміром часток. Показано, що зміна дисперсії h2 /0 від 10-5 до 10-3 не призводить до зміни , більш ніж на 10%.

У третій частині розділу приводяться результати дослідження моделі ЕДП вологовмістимих дисперсних середовищ. Напочатку виявлено залежність ЕДП щільного однокомпонентного дисперсного середовища з прошарками води на частинках від об’єму таких прошарків відносно загального об’єму. Одержані данні якісно відповідають відомим з літератури експериментальним даним. Зокрема, при оцінюваній таким чином вологості менше 10% залежності мають лінійний характер. При подальшому підвищенні вологості середовища починає переходити до стану насичення. Залежність параметра має суттєво меншу схильність до насичення. Показано також, що дисперсність частинок починає суттєво впливати на результат оцінок та при h2 /0 > 5.10-4.

Враховуючи те, що реальні дисперсні середовища не являються щільними, основну увагу було приділено моделюванню їх ЕДП при наявності прошарків води на частинках. При цьому чарунка –мірного плоскошарового середовища формувалась з п‘яти шарів: повітря – волога – основний матеріал – волога – повітря. На рис. 3 приведені залежності складових ЕДП для такої структури від вологості та щільності при умовах . На одному з графіків проставлені точки, що відповідають експериментальним вимірам залежності мілкого помолу від вологості, виконаним в роботі. Зміна вологості проводилась висушуванням проби з відповідним зважуванням.

В цілому одержані данні свідчать, в першу чергу, про високу дослідницьку ефективність моделі, включаючи широку можливість змінювати склад та параметри середовища, що моделюється. Відповідність існуючим експериментальним відомостям про основні залежності може свідчити за адекватність розробленої моделі.

Рис. 3. Залежність ЕДП дисперсного одномодового середовища

від вологості (W) та щільності (P).

Четвертий розділ дисертації присвячено дослідженням фізичних аспектів оптимізації електродинамічного конструктиву РПВП для НВЧ вологометрії дисперсних середовищ. При цьому домінуючими вважались слідуючи критерії. Насамперед, вказані РПВП повинні мати максимально спрощену процедуру формування проб і вмонтування контролю вологості в основний технологічний процес. Практика показала, що вони повинні бути “понурювальними”. Одночасно, їх конструктив має бути таким, що забезпечує потрібну чутливість при незмінності теоретичного та експериментального градуювання. Крім того, слід мінімізувати вплив заважаючих факторів різного походження.

Детальний аналіз з урахуванням доробок в напрямку безелектродного контролю параметрів напівпровідникових матеріалів та структур дозволив запропонувати різновиди РПВП, приведені на рис. 4. Вони спеціалізовані відповідно для контролю зміни вмісту вологи в середовищах на потоці (рис.4а); абсолютного виміру вологості шляхом взяття проби занурюванням в середовище (рис. 4б); виміру малих значень вологи, або вологи в малих об’ємах (рис. 4в). Всі різновиди об’єднує частина електродинамічної структури резонатора через яку зовнішньо розміщений зразок взаємодіє з полем резонатора. Відповідно, їх можна називати РПВП з коаксіальною вимірювальною апертурою.

Теоретичною основою майже усіх відомих попередніх моделей таких РПВП був квазістатичний підхід оцінки вносимої зразком комплексної ємності. Суттєвим його недоліком є неврахування витрат енергії НВЧ поля на випромінювання в щілину між торцем РПВП і зразком. Цей недолік не знімається також в більш складних постановках вирішення задач оцінки комплексної резонансної частоти таких РПВП.

Рис. 4. Схематичне зображення різноманітних конструктивів РПВП

для НВЧ вологомірів.

В дисертації запропоновано та реалізовано новий підхід чисельно аналітичного моделювання РПВП з коаксіальною вимірювальною апертурою. Він базується на розвитку методики заданого на апертурі НВЧ електричного поля у напрямку використання апарату функцій Гріна та вектора Умова-Пойтінга для оцінок вносимої ємності з урахуванням втрат на випромінювання.

При цьому фундаментальні сигнали вимірювальної інформації (ФСВІ) представляються таким чином:

;

(5)

,

де та – індуктивність та ємність РПВП без зразка, що визначаються його геометрією; ; в загальному випадку залежить в першу чергу від параметрів зразка, а також від геометрії РПВП.

На рис. 5 у порівнянні з квазістатичною моделлю приведені залежності і від і середовища, обчислені по запропонованій моделі. Різниця підтверджена експериментально на зразках кремнію ( = 12; tg=0,01...10) і відтворює результат урахування втрат на випромінювання.

Представлена модель дозволяє робити теоретичне градуювання РПВП з коаксіальною вимірювальною апертурою усіх різновидів та проводити мобільні числові дослідження залежності їх властивостей від параметрів конструктиву.

Рис. 5. Залежність фундаментальних сигналів вимірювальної інформації коаксіального РПВП від ЕДП.

В дисертації відповідно проведено дослідження залежності ФСВІ від співвідношення радіусів коаксіальної апертури між собою; радіусів з довжиною хвилі робочої частоти, щілини з довжиною хвилі та інші. Одержані результати покладені в основу проектування РПВП НВЧ вимірювачів вологи порошкових матеріалів для технології мікроелектроніки, які розробляються в лабораторії кафедри.

Висновки

1. Систематизовано погляд на фізичні принципи НВЧ вологометрії та їх значення в вирішенні проблем теоретичного градуювання і універсалізації практичної реалізації НВЧ вологомірів. Виділено два з них, що пов’язані з визначенням залежності комплексної НВЧ ЕДП від об’ємного вологовмісту середовищ та з точним вадонезалежним її виміром.

Обумовлені проблеми практично вирішені для НВЧ гігрометрії та виміру кількості води у розчинах. Не вирішеними вони залишаються для НВЧ вологометрії дисперсних твердотілих середовищ. Це потребує розвитку відповідних фізичних принципів у напрямку забезпечення реалізації адекватної теоретичної моделі НВЧ ЕДП вказаних середовищ та створення ПВП для виміру складових ЕДП, що відповідали б умовам теоретичного градуювання для більшості умов вимірювання вологості матеріалів.

2. Вперше запропоновано фізично обгрунтований підхід моделювання комплексної НВЧ ЕДП дисперсних твердотілих середовищ, що базується на властивостях поляризації плоскої багатошарової структури чарункового типу у НВЧ полі одномодового регулярного резонатора з трьохвимірним електричним полем коливання. Показано, що при відповідності параметрів чарунок такої структури параметрам компонент дисперсного середовища та

перевищенні кількості чарунок у такій структурі деякого значення її комплексна ЕДП насичується по обом складовим і кількісно відповідає ЕДП дисперсного середовища. Такий підхід створює достатні умови для адекватного моделювання ЕДП різних середовищ, включаючи вологовмістимі, та відрізняється можливістю широкого використання для різноманітних досліджень. Цей підхід є розвитком одного із базових фізичних принципів НВЧ вологометрії – використання кількісних значень складових НВЧ ЕДП середовища для оцінки його вологості. Він дозволяє теоретично побудувати залежності НВЧ ЕДП різних середовищ від об’ємного вмісту вологи.

3. Показано, що оцінювана таким способом НВЧ ЕДП вологовмістимих дисперсних середовищ суттєво залежить від їх щільності. Це відтворює відомі результати експериментальних досліджень та дозволяє моделювати підходи для формування щільностно незалежних НВЧ вимірювань вологості. Залежність ЕДП від розмірів частин дисперсного середовища у діапазоні 10-5< hi /0 <10-3 незначна, також як і залежність від товщини прошарків води при сталій вологості і щільності. Верхній діапазон hi/0 обумовлений в моделі значенням зменшення добротності резонатора, а нижній – можливістю характеризувати частки відомим об’ємними діелектричними параметрами. Це також відноситься до товщини прошарків води.

4. Запропоновано найбільш універсальний підхід проектування вимірювальних перетворювачів для НВЧ вологометрії дисперсних сипучих середовищ, що базується на використанні резонаторів з коаксіальною випромінюючою вимірювальною апертурою. Розроблена ефективна теорія для чисельно аналітичного моделювання РПВП такого типу, що базується на використанні приближення заданого електричного НВЧ поля в площині апертури та апарату функції Гріна для представлення поля в об’ємі зразка. Використовуючи вектор Умова-Пойтінга, сформульовано прийом визначення вносимої зразком (середовищем) ємності в резонатор з подальшим обчисленням змін його резонансної частоти та добротності. Важливою перевагою цієї моделі є врахування втрат на випромінювання в щілини та на безкінечність. Показана залежність систематичної похибки широко використаного квазістатичного підходу від параметрів зразка та геометрії електродинамічної системи. Вперше проведені дослідження залежності фундаментальних сигналів вимірювальної інформації таких РПВП від співвідношення параметрів його геометрії та цих параметрів з довжиною хвилі на робочій частоті.

Список опублікованих автором праць за темою дисертації

1. Гордиенко Ю.Е., Фади Мохамад Хаммуд. Оценка направлений оптимизации СВЧ резонаторных датчиков контроля влагосодержания порошковых материалов электронной технологии // Радиоэлектроника и информатика. – 2004. – № 2(27). – С. 34-38.

2. Гордиенко Ю.Е., Герасимов В.П., Фади Мохамад Хаммуд. Численно аналитическая модель эффективной СВЧ диэлектрической проницаемости структурно неоднородных объектов // Радиоэлектроника и информатика. – 2004. – № 4 (29). – С. 26-31.

3. Гордиенко Ю.Е., Петров В.В., Фади Мохамад Хаммуд. Оценка численно-аналитических моделей СВЧ резонаторных сенсоров (датчиков) с коаксиальной измерительной апертурой // Радиотехника: Всеукр. межвед. научн.-техн. сб. – 2005. – № 140. – С. 156-162.

4. Фади Мохамад Хаммуд, Герасимов В.П., Гордиенко Ю.Е.. СВЧ диэлектрическая проницаемость дисперсных влагосодержащих сред // Радиофизика и радиоастрономия. – 2005. – Т.10. – № 3. – С. 334-340.

5. Фади Мохамад Хаммуд, Гордиенко Ю.Е. Контроль влагосодержания в порошковых материалах микроэлектроники // Сб. науч. трудов 8-го Международного молодежного форума „Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке”. – Харьков. – Ч.1. – 2004. – С. 158.

6. Гордиенко Ю.Е., Фади Мохамад Хаммуд. СВЧ технологии в контроле влагосодержания порошковых материалов // Сб. тезисов докладов по материалам 10-ой Юбилейной международной научной конференции “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”. – Харьков-Туапсе. – Ч.1. – 2004. – С. 343-344.

7. Гордиенко Ю.Е., Фади Мохамад Хаммуд, Герасимов В.П. Численная модель эффективной диэлектрической проницаемости дисперсных сред на СВЧ // 15-я Международная Крымская конференция „СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии” (КрыМиКо 2005). – Севастополь. – 2005. – С. 842-843.

8. Gordyenko Y., Fadi Mohamad Hammoud. Microwave dielectric permittivity of nanostructured materials // 2nd International Conference on Physics of Laser Crystals. – Yalta, Crimea, Ukraine. – 25-30 September 2005. – P. NT10.

АНОТАЦІЯ

Фаді Мохамад Хаммуд. Фізичні аспекти розвитку НВЧ вологометрії дисперсних середовищ. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеню кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.01 – фізика приладів, елементів і систем. – Харківський національний університет радіоелектроніки, м. Харків, 2005.

Дисертація присвячена дослідженню фізичних аспектів удосконалення НВЧ вологометрії твердотілих дисперсних середовищ. Основний напрям вдосконалення пов’язаний з вирішенням задач теоретичного (безеталонного) градуювання НВЧ вологомірів.

В дисертації на основі нового фізичного підходу розроблена продуктивна для всебічних досліджень та теоретичного використання чисельно аналітична модель НВЧ ефективної діелектричної проникливості (ЕДП) багатокомпонентних вологовмістких дисперсних середовищ. Модель базується на фізичних особливостях поляризації плоскої багатошарової чарункової структури в НВЧ полі одномодового регулярного резонатора з трьохвимірним електричним полем.

З використанням розробленої моделі виконані дослідження залежності ЕДП вологовмістких дисперсних середовищ від вологи, щільності, дисперсності та розміру водяних прошарків.

Запропоновано та обгрунтовано універсальний підхід проектування первинних вимірювальних перетворювачів для НВЧ резонаторної вологометрії сипучих матеріалів, що базується на використанні резонаторів з коаксіальною випромінювальною вимірювальною апертурою. Розроблена ефективна теорія таких вимірювальних перетворювачів.

Проведені чисельні дослідження залежності фундаментальних вихідних сигналів вимірювальної інформації: зміни резонансної частоти та зміни добротності від параметрів геометрії резонаторного перетворювача та їх співвідношення з довжиною хвилі. Створені передумови формування вихідних сигналів вимірювальної інформації, інваріантних до домінуючих заважаючих факторів.

Ключові слова: НВЧ вологометрія, дисперсні середовища, математичне моделювання ефективної діелектричної проникності, НВЧ резонаторні перетворювачі, коаксіальна вимірювальна апертура, фундаментальні сигналі вимірювальної інформації.

Аннотация

Фади Мохамад Хаммуд. Физические аспекты развития СВЧ влагометрии дисперсных сред. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.01 – физика приборов, элементов и систем. – Харьковский национальный университет радиоэлектроники, г. Харьков, 2005.

Диссертация посвящена исследованию физических аспектов усовершенствования СВЧ влагометрии твердотельных дисперсных сред. Основное направление усовершенствования связано с решением задач теоретической (безэталонной) градуировки СВЧ влагомеров и снятия недостатка, заключающегося в их узкой специализации по материалам.

В диссертации на базе нового физического подхода разработана продуктивная для всесторонних исследований и теоретического применения численно аналитическая модель СВЧ эффективной диэлектрической проницаемости (ЭДП) многокомпонентных влагосодержащих дисперсных сред. Модель базируется на физических особенностях поляризации плоской многослойной ячеистой структуры в СВЧ поле одномодового регулярного резонатора с трехмерным электрическим полем колебания. Показано, что при соответствии параметров ячейки такой структуры параметрам компонент дисперсной среды и превышении количества ячеек некоторого значения ее ЭДП насыщается по обеим составляющим и количественно соответствует ЭДП дисперсной среды.

С использованием разработанной модели выполнены исследования зависимости ЭДП влагосодержащих дисперсных сред от их влажности, плотности, дисперсности и размера водных прослоек. Установлено, что влагоностно-плотностные зависимости качественно соответствуют известным экспериментальным данным. Количественно совпадают с результатами проведенного эксперимента по кинетике просушивания увлажненной поваренной соли.

Предложен наиболее универсальный подход проектирования первичных измерительных преобразователей для СВЧ влагометрии сыпучих материалов, который базируется на использовании резонаторов с коаксиальной излучательной измерительной апертурой. Разработана эффективная теория таких измерительных преобразователей, которая в отличии от известного квазистатического приближения позволяет учитывать потери на СВЧ излучение в зазор и условия на бесконечности.

Проведены численные исследования зависимости фундаментальных выходных сигналов измерительной информации: изменения резонансной частоты и изменения добротности от параметров геометрии резонаторного преобразователя и их соотношения с длиной волны. Созданы предпосылки формирования выходных сигналов измерительной информации, инвариантных к доминирующим мешающим факторам (плотность среды, структура и дисперсность частиц и т.п.).

Ключевые слова: СВЧ влагометрия, дисперсные среды, математическое моделирование эффективной диэлектрической проницаемости, СВЧ резонаторные преобразователи, коаксиальная измерительная апертура, фундаментальне сигналы измерительной информации.

ABSTRACT

Fadi Mohamad Hammoud. Physical aspects of the development of microwave moisture meter disperse environments – Manuscript.

The dissertation on the competition of a scientific degree of the candidate of physical and mathematical sciences on a speciality 01.04.01 – physics of devices, elements and systems. – Kharkov National University of Radioelectronics, Kharkov, 2005.

The dissertation is devoted to research of physical aspects of improvement of the microwave moisture meter solid-state disperse environments. The basic direction of improvement is connected to the decision of tasks theoretical graduation of the microwave of hydrometers and removals of the lack consisting in their narrow specialization in materials.

In the dissertation on the basis of the new physical approach is numerically analytical model of the microwave of effective dielectric permeability (EDP) multicomponent moisture load disperse environments is developed a productive for comprehensive investigations and theoretical application. The model is based on physical features of polarization of flat multilayered cellular structure in the microwave, a field single-mode of the regular resonator with a three-dimensional electric field of fluctuation is shown that at conformity of parameters of a cell of such structure of parameters the component of the disperse environment and excess of quantity of cells of some of its value EDP is sated on both with component and quantitatively corresponds of EDP the disperse environment. With the use of the developed model, researches of dependence EDP moisture content disperse environments from their humidity; density, dispersive ness and the size of water layers are executed.

The most universal approach of designing of initial measuring converters for the microwave moisture meter loose materials which is based on use of resonators with the coaxial radiating measuring aperture is offered. The effective theory of such measuring converters which as against known quasi-static approximation allows to take into account losses on the microwave radiation in a backlash and conditions on infinity is developed.

Numerical researches on dependence of fundamental target signals of the measuring information are carried out: change of resonant frequency and change of good quality from parameters of geometry resonator, the converter and their parity with length of a wave. Preconditions of formation of target signals of the measuring information, invariant to dominant preventing factors (density of environment, structure and dispersive ness of particles etc.) are created.

Key words: the microwave moisture meter, disperse environments, mathematical modeling of effective dielectric permeability, the microwave resonator converters, the coaxial measuring aperture, fundamental signals of the measuring information.