Способ измерения комплексной диэлектрической проницаемости радиопоглощающих композиционных материалов при нагреве

 

Изобретение относится к области измерения диэлектрических величин радиопоглощающих композиционных материалов, обладающих большими значениями относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, и предназначено для использования в радиотехнике СВЧ, при проектировании антенн СВЧ, защитных укрытий и экранов радиотехнических систем. Технический результат - получение точных (истинных) значений диэлектрической проницаемости, а не усредненных, что повышает точность определения зависимости диэлектрической проницаемости от температуры нагрева: устранение отдельного нагревательного устройства. Предлагается способ измерения диэлектрической проницаемости радиопоглощающих композиционных материалов при нагреве, в котором в образец измеряемого материала по всей толщине на разной глубине, начиная с поверхности, заделываются термопары для измерения температурного профиля, используется зондирующая электромагнитная волна большой мощности, которая производит одновременно измерение и нагрев образца измеряемого материала. Измерение температуры нагрева производится термопарами по всей толщине образца измеряемого материала. Измеряемыми параметрами являются комплексный коэффициент отражения или прохождения электромагнитной волны через образец и температура нагрева образца по толщине. По измеренным параметрам определяются точные значения диэлектрической проницаемости измеряемого материала при разных температурах. 1 табл.

Изобретение относится к области измерения диэлектрических величин радиопоглощающих композиционных материалов, обладающих большими значениями относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, и предназначено для использования в радиотехнике СВЧ, при проектировании антенн СВЧ, защитных укрытий и экранов радиотехнических систем.

Известен способ измерения на СВЧ параметров диэлектрических материалов при нагреве в волноводе [см. с.204. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. - М.: Физматгиз, 1963, 403 с.], заключающийся в следующей последовательности операций: подготовка образца измерительного материала; помещение образца в измерительное устройство (в волновод, снаружи которого располагается внешнее нагревательное устройство); установка термопар на образец; циклические операции в диапазоне температур равномерного нагрева образца до определенной температуры нагрева до максимально заданной температуры нагрева, нагрев производится с требуемым шагом в заданном температурном диапазоне внешним нагревательным устройством; измерения температуры на образце, измерения значения комплексного коэффициента отражения или прохождения зондирующей электромагнитной волны через образец; после по измеренным параметрам расчетным путем определяются значения диэлектрической проницаемости измеряемого материала, соответствующие каждой температуре нагрева.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе существуют следующие ограничения:

- волновод должен выдерживать температуру нагрева не меньше образца;

- при высоких температурах резко возрастает погрешность измерения из-за эмиссии электронов в волноводе;

- для равномерной температуры нагрева производится выдержка образца в нагретом состоянии длительное время, что не соответствует рабочим режимам эксплуатации материала (например, при разогреве керамики при выдержке температуры изменяется ее плотность).

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ измерения параметров диэлектрических материалов при нагреве в свободном пространстве [см. с.57. Воробьев Е.А., Михайлов В.Ф., Харитонов А.А. СВЧ диэлектрики в условиях высоких температур. - М.: Сов. радио, 1977, 207 с.], в соответствии с которым производятся следующие операции: подготовка образца измеряемого материала; установка термопар на поверхность образца; помещение образца в измерительное устройство (реализующее радиоволновый метод, включающее приемную и передающую антенны, СВЧ устройство для измерения комплексного коэффициента отражения или прохождения зондирующей электромагнитной волны через образец); быстрый нестационарный нагрев (способность достичь максимальной температуры за заданное время) производят с помощью внешнего нагревательного устройства, например плазменного нагревателя или газовой горелки; одновременно с нагревом производятся измерения температуры на нагреваемой поверхности образца измеряемого материала и измерения значений комплексного коэффициента отражения или прохождения зондирующей электромагнитной волны через образец; после по измеренным параметрам определяется среднее значение диэлектрической проницаемости измеряемого материала, соответствующее каждой новой нагреваемой температуре. Этот способ принят за прототип.

У прототипа и предлагаемого изобретения имеются следующие существенные сходные признаки:

1. Подготовка образца измерительного материала.

2. Установка термопар на поверхность образца.

3. Установка образца в измерительное устройство.

4. Быстрый нестационарный нагрев образца измеряемого материала.

5. Одновременное с нагревом измерение температуры нагрева на поверхности и измерение значения комплексного коэффициента отражения или прохождения электромагнитной волны через образец.

6. По измеренным параметрам определяют значение диэлектрической проницаемости.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном способе необходимо отдельное нагревательное устройство; получаемая измерительная информация позволяет получить только среднее значение диэлектрической проницаемости по образцу, соответствующее поверхностной температуре. Для примера, на нагреваемой поверхности образца температура нагрева может быть 1000°С, а на теневой поверхности будет 100°С, усредненное значение диэлектрической проницаемости по образцу имеет небольшую достоверность.

Сущность изобретения заключается в следующем: для измерения не средних значений, а истинных температурных зависимостей комплексной относительной диэлектрической проницаемости предлагается одновременно с нагревом производить измерение распределения температуры нагрева образца измеряемого материала по всей толщине образца (заделка термопар по всей толщине и на поверхности); для исключения отдельного нагревательного устройства измерение производить зондирующей электромагнитной волной большой мощности, одновременно выполняя нагрев образца измеряемого материала за счет поглощения части мощности зондирующей волны.

Технический результат - получение истинных значений диэлектрической проницаемости, а не усредненных, что повышает точность определения зависимости диэлектрической проницаемости от температуры нагрева; устранение отдельного нагревательного устройства.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в способе, включающем подготовку образца измеряемого материала, установку термопар на поверхность образца, помещение образца в измерительное устройство, нагрев измеряемого образца, одновременно с нагревом производят измерение значений комплексного коэффициента отражения или прохождения электромагнитной волны через образец и измерение температуры нагрева на поверхности образца измеряемого материала, одновременное измерение температуры нагрева на поверхности образца и значения комплексного коэффициента отражения или прохождения электромагнитной волны через образец, по измеренным параметрам определяются средние значения диэлектрической проницаемости измеряемого материала.

Особенность заключается в том, что нагрев производится зондирующей электромагнитной волной большой мощности; измерение температуры производится по всей толщине образца измеряемого материала; повышается достоверность определения температурных зависимостей комплексной диэлектрической проницаемости.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволили установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения.

Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию “новизна”.

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию “изобретательский уровень” заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличными от прототипа признаками заявленного способа. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата, в частности заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования:

- дополнение известного средства какой-либо известной частью, присоединяемой к нему по известным правилам для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такого дополнения;

- замена какой-либо части известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;

- исключение какой-либо части средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата;

- увеличение количества однотипных элементов, действий для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов, действий;

- выполнение известного средства или его части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами этого материала;

- создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил, рекомендаций, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связей между другими.

Описываемое изобретение не основано на изменении количественного признака, представлении таких признаков во взаимосвязи либо изменении ее вида. Имеется в виду случай, когда известен факт влияния каждого из указанных признаков на технический результат, и новые значения этих признаков или их взаимосвязь могли быть получены исходя из известных зависимостей, закономерностей.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию “изобретательский уровень”.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата: подготавливается образец измерительного материала, в него в процессе его изготовления по всей толщине заделываются термопары на разной глубине, начиная с поверхности нагрева, для получения температурного профиля нагреваемого образца измеряемого материала; подготовленный образец устанавливают в измерительное устройство в свободном пространстве. Зондирование образца производят электромагнитной волной большой мощности (способная нагреть образец материала до максимальной температуры за несколько секунд), которая осуществляет измерение и нагрев образца измеряемого материала. В процессе нагрева одновременно производятся измерения температуры нагрева образца по толщине и комплексного коэффициента отражения или прохождения зондирующей электромагнитной волны через образец. По измеренным данным определяется точное значение комплексной диэлектрической проницаемости образца измеряемого материала от температуры нагрева.

Пример.

Способ осуществляется следующим образом.

В измеряемый материал в процессе его изготовления по всей толщине, начиная с поверхности, заделывают термопары. В качестве измеряемого материала берут углепластик. Нагрев и измерение производят зондирующей волной большой мощности, в качестве генератора используют ЛБВ (мощная октановая усилительная ЛБВ с теневой и управляющей сеткой, ƒ_раб=8-17 ГГц, Р_{вых.имп}=5 кВт), или УВ-361 (ƒ_раб=8-12 ГГц, Р_{вых.непр}=500 Вт). По измеренным значениям комплексного коэффициента отражения от образца и его температурного рельефа производят вычисление диэлектрической проницаемости измеряемого материала. Вычисление производят путем совместного решения уравнений теплопроводности и электродинамики. Полученные результаты температурных зависимостей относительной диэлектрической проницаемости приведены в таблице.

Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:

- средство, воплощающее заявленный способ при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно для изготовления и контроля диэлектрических параметров радиопоглощающих композиционных материалов;

- для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию “промышленная применимость”.

Формула изобретения

Способ измерения комплексной диэлектрической проницаемости радиопоглощающих материалов при нагреве, включающий подготовку образца измеряемого материала, установку термопар на поверхность образца, помещение образца в измерительное устройство, быстрый (способный достичь максимальной температуры за заданное время) нестационарный нагрев образца и одновременное с нагревом измерение значений комплексного коэффициента отражения или прохождения электромагнитной волны через образец и температуры нагрева на поверхности образца измеряемого материала, отличающийся тем, что нагрев производят зондирующей волной большой мощности (способной нагреть образец материала до максимальной температуры за несколько секунд), а измерение распределения температуры производят по всей толщине образца измеряемого материала, начиная с его поверхности.