Обзор способов определения диэлектрических свойств зерна

Обработка электромагнитными полями сверхвысокой частоты необходима для повышения урожайности, предпосевной обработки, обеззараживания, сушки и других процессов, повышающих общую эффективность использования сельскохозяйственных объектов, и, в частности, зерна различных культур.

Потребность в изучении диэлектрических свойств сельскохозяйственных культур обусловлена зависимостью влияния электромагнитного излучения на обрабатываемые объекты от этих диэлектрических свойств.

Для этого необходимо знать диэлектрические свойства биологических объектов: диэлектрическую проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь, их изменение под влиянием внешних воздействий, а также методы и средства измерения диэлектрических свойств материала. Важная роль здесь отводится непосредственно диэлектрической проницаемости ε.

Диэлектрическая проницаемость ε – это физическая величина, характеризующая свойства диэлектрической среды, которая показывает во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в этой среде меньше, чем в вакууме или определяет во сколько раз напряженность электрического поля в вакууме больше, чем в диэлектрике [1]. Диэлектрическую проницаемость представляют в виде комплексного выражения:

Е = Е' -IE",                            (1)

где ε' - действительная часть, отвечающая за измерение электромагнитной энергии запасённой в материале, ε" - комплексная часть, характеризующая фактор диэлектрических потерь, описывающая энергию, рассеиваемую в материале.

Диэлектрическая проницаемость входит также в выражение для вектора электрической индукции D:

D = ЕЕ о E ,                            (2)

где - £ 0 =8,854 х 10 —1 Ф/м - электрическая постоянная, E -напряжённость электрического поля, [В/м].

Одной из главных величин, описывающих диэлектрические свойства материала, является тангенс угла диэлектрических потерь:

tan 5 = J .                         (3)

Развитие исследований диэлектрических свойств зерна.

Одно их первых серьёзных исследований непосредственно диэлектрических свойств веществ начал в 1929 году Дебай. При этом определение диэлектрической проницаемости строилось на измерении электрического сопротивления для задач определении влажности исследуемых образцов.

Так как параметр диэлектрическая проницаемость связан с рядом других величин (напряжённость электрического поля, ёмкость, свойства материала и др.), то измерения носят косвенный характер. Основой идеей является экспериментальное получение при различных режимах тех параметров, из которых потом можно вычислить ε. При этом средства и методы зависят от соответствующих типов исследуемых сельскохозяйственных культур, частоты воздействующего электромагнитного излучения, требуемой степени точности измерения.

В диапазоне частот ниже 200 МГц используются мостовые схемы сопротивлений и резонансные контура, при частоте свыше 200 МГц линии передач, резонансная техника, волноводные и коаксиальные системы.

Диэлектрические свойства зерна, определённые с помощью моста сопротивлений и резонансного контура были начаты ещё в 1970м году в диапазоне частот от 250 Гц до 20 кГц Коркораном [2].

Определение с помощью волноводов и коаксиальной техники широко получило своё распространение с 1970-х годов. В основе измерения были приборы RX-метры, при этом диапазон частот, в котором измерялись параметры, составлял на то время от 50-и до 250 МГц.

Большой объём работ по определению с помощью резонансной техники диэлектрических свойств был получен к началам 1990-х в диапазоне с 1-50 МГц с помощью куметра, работающего по принципу резонансного контура.

В 1998 Лоуренсе году разработал и смоделировал коаксиальный держатель образца, при этом измерения делались при помощи растворителей, таких как алкоголь, с известными диэлектрическими параметрами, а измерения проводились в диапазоне частот от 25-и до 350 МГц [3].

В частотах около 1 ГГц и выше методы резонансной ёмкости и свободно-пространственных технологий являются наиболее часто применяемыми.

Основные способы исследования диэлектрических свойств зерна.

Электроизоляционные материалы, к которым относится зерно, могут обладать поляризацией различных типов: электронной, ионной, миграционной, спонтанной, упругой. Каждой из них присуща своя предельная частота. Поэтому, для измерения относительной диэлектрической проницаемости ε и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ необходимо использовать соответствующие по частоте методы [4].

Зерно различных культур является типичным диэлектриком. Измерение диэлектрических свойств веществ базируется на отражении или прохождении электромагнитного излучения через вещество, используя резонансные или нерезонансные системы с открытой или закрытой структурой для экспериментального определения параметров исследуемых образцов. Волноводы или коаксиальные линии передач представляют закрытые структуры, в то время как измерения отрытого распространения электромагнитного излучения и открыто-закрытого коаксиальной линии представляют собой открытые системы [4].

1.Резонансные методы.

Резонансные методы измерения параметров материалов основаны на изменении свойств колебательных систем при введении в них образцов исследуемого вещества [5]. Их используют в широком диапазоне частот - от единиц мегагерц до десятков гигагерц.

Поскольку резонансную частоту и добротность колебательных систем можно измерить с достаточно высокой точностью, резонансные методы измерения параметров вещества оказываются наиболее совершенными. На частотах до 300 МГц в качестве колебательных систем обычно используют куметры или измерители полных проводимостей. Для проведения измерений применяют специальный образцовый конденсатор, между обкладками которого помещают пластину исследуемого диэлектрика. Этот конденсатор подключают параллельно контуру куметра.

Методика измерения параметров диэлектрика сводится к следующему. С помощью куметра измеряют емкость образцового конденсатора с образцом исследуемого диэлектрика и без него. Искомая диэлектрическая проницаемость определяется как отношение этих двух емкостей:

ε = Сзап/С,                          (4)

где Сзап и С – соответственно электрические емкости заполненного семенами и пустого (с воздухом) измерительного конденсатора.

Для нахождения тангенса угла потерь материала необходимо измерить добротность контура с исследуемым материалом и без него. По результатам измерений можно рассчитать tan 5 , воспользовавшись следующей формулой:

tan 5 = ^общ f— --) ,               (5)

С зап Qзап Q где Собщ — общая емкость контура; Qзап и Q — собственные добротности контура с исследуемым диэлектриком и без него.

В диапазоне СВЧ в качестве колебательных систем могут использоваться коаксиальные объемные резонаторы. В этом диапазоне наиболее простой способ измерения параметров вещества состоит в измерении резонансной частоты и добротности резонатора, заполненного и незаполненного исследуемым веществом, и в расчете параметров этого вещества с помощью формул:

е = (—)², ш зап

tan 5 = (— --),                  (7)

Q зап    Q где , to , Q и шзап, Qзап — резонансная частота и добротность незаполненного и заполненного исследуемым материалом резонатора.

Данный способ является одним из базовых экспериментального определения диэлектрической проницаемости. При этом в диапазоне частот от 1 кГц до 1 МГц можно учесть влияние бокового электрического поля, возникающего на краях электродов плоского измерительного конденсатора [6].

Указанный метод обычно используется для измерения параметров газов, жидкостей и сыпучих материалов. Основной его недостаток состоит в том, что если диэлектрическая проницаемость исследуемого материала существенно отличается от единицы, то при введении его в резонатор резонансная частота сильно изменяется, при этом изменяется собственная добротность резонатора. Поэтому вычисление может привести к большой погрешности. Кроме того, практически трудно заполнить твердым диэлектрическим материалом всю внутреннюю полость резонатора так, чтобы не оставалось никаких зазоров.

• 2.Волноводные методы.

• 3 .Методы свободного пространства.

• 4 .Методы резонаторов.

Для изучения диэлектрических свойств веществ может применяться метод с использованием волновода и коаксиальных линий, впервые разработанный в Массачусетском технологический институте [7]. Волноводные методы измерения параметров материалов широко применяются в сантиметровом диапазоне волн. В диапазоне дециметровых волн те же методы могут быть реализованы с применением коаксиальных линий.

Диэлектрическая проницаемость в этом методе может быть получена из вычислений c помощью измерения фазы и амплитуды отражённого микроволнового излучения от образца.

Сущность волноводных методов состоит в том, что отрезок волновода заполняется исследуемым веществом. Для измерения параметров вещества достаточно экспериментально найти длину волны (фазовую скорость) и постоянную затухания волны в волноводе, заполненном этим веществом, затем из этих величин можно найти диэлектрическую проницаемость.

Квазиоптические методы, которые иногда называют методами свободного пространства, применяют для измерения параметров диэлектриков в сантиметровом, миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах волн, где являются основными методами измерения параметров вещества. Сущность методов основана на измерении фазовой скорости и затухания плоской электромагнитной волны в исследуемом диэлектрике.

Метод свободного пространственного определения не требует специального образца, что удобно для определения неоднородных диэлектриков [8].

В этой технологии материал располагается между передающим излучателем и принимающим излучателем, по затуханию и сдвигу фаз можно вычислить значение ε. Измерение таким методом может расширить диапазон частот для определения требуемых параметров. Точность такого метода зависит от возможностей измеряющей системы.

Более частным случаем резонансных методов являются методы объёмных резонаторов, применяемые для определения диэлектрических параметров твёрдых веществ [9].

Метод объемного резонатора при фиксированной резонансной частоте.

Определение относительной диэлектрической проницаемости заключается в измерении разности резонансной длины резонатора без образца и резонансной длины после помещения в него образца при фиксированной резонансной частоте. Определение тангенса угла диэлектрических потерь базируется на измерении собственной добротности резонатора с образцом и сравнение с собственной добротностью резонатора без образца с учетом изменения распределения поля и омических потерь в стенках резонатора после помещения образца.

Метод объемного резонатора при фиксированной резонансной длине.

Здесь диэлектрическую проницаемость можно найти из измерения резонансных частот резонатора до и после помещения в него образца при фиксированной резонансной длине, определение tan 5 заключается в измерении собственной добротности резонатора с образцом и сравнении ее с собственной добротностью резонатора без образца с учетом изменения распределения поля, и также резонансной частоты и омических потерь в стенках резонатора после помещения образца.

• 5 .Смешанные способы.

Так называемая технология передающей линии довольно сложная, потому как образец должен быть сделан в виде круглой шайбы, подогнанный под волновод в зависимости от частоты излучения [10]. Данный метод широко используется в основном для определения параметров жиров и нефти, и для определения зерна не совсем удобен. Размеры образца при этом должны быть такими, чтобы он входил внутрь резонатора без зазоров.

Открыто-закрытая коаксиальная линия представляет собой систему для широкополосного исследования (1- 20 ГГц) и может использоваться как для жидких, так и для твёрдых образцов [11]. Это неразрушающий метод, он предполагает, что исследуемое вещество не магнитно и является анизотропным. Данный метод также достаточно сложен, но точен, и имеет погрешность порядка 5 %.

Выводы.

• 1 .Существуют несколько способов определения диэлектрической проницаемости диэлектриков, часть которых можно применить для исследования и определения диэлектрической проницаемости и тангенса диэлектрических потерь зерна. В диэлектрическом нагреве образцов частотой электромагнитного излучения ниже 200 МГц это мостовые схемы и резонансные контура,

• 2 .Представленные выше способы имеют свои достоинства и недостатки, и целесообразность использования каждого из них определяется условиями эксперимента. Основная сложность заключается в том, что наиболее точные методы применительно для СВЧ-диапазона требуют, чтобы исследуемый объект представлял собой монолитный образец с определёнными геометрическими параметрами, только тогда будет достигнута корректность измерения, что не совсем удобно для зерновых культур в силу размера зерна, наиболее корректными остаются на данный момент резонансные методы.

при этом диэлектрическую проницаемость можно получить из сравнения ёмкости с образцом и без. При частоте излучения свыше 200 МГц это способы передающей линии и волноводные способы.

FSSI All-Russian Scientific-Research Institute for Electrification of Agriculture (VIESH), Moscow, Russia

Аnnotation. Overview of classical and modern methods for determining the dielectric properties of the grain is presented in this paper. The methods of resonance, waveguide techniques and methods for the determination of free space permittivity of grain crops are described. On the basis of these methods concluded their applicability for the study and determination of the dielectric properties of the grain.