Исследование температурных зависимостей электрофизических свойств почвы и наземной растительности даёт возможность установить корреляцию с широким рядом параметров исследуемых материалов, таких как влажность, температура, глубина промерзания, качественный состав, степень загрязнения и других. Опираясь на полученные в лабораторных условиях результаты измерений, можно интерпретировать результаты, полученные при дистанционном зондировании со спутниковых радиометров [1].
Исследование влияния температуры на свойства материалов всегда было чрезвычайно важной и в такой же мере трудоемкой задачей для экспериментатора. Высокая трудоемкость изучения температурных зависимостей электрофизических характеристик материалов обусловлена рядом факторов, среди которых можно выделить температурный диапазон исследований, уровень точности измерений, режим установления условий и др. Повышение точности измерений ведёт к увеличению повторений измерений для обеспечения большей дискретности выбранного диапазона температур. В таких случаях время ожидания установления температуры в каждом измерении может составлять до 95% времени всего эксперимента [2].
В настоящее время реализация подобных измерений возможна как с использованием аппаратных решений, предоставляющих возможность проводить такие измерения в полностью автоматическом режиме при осуществлении предусмотренной изготовителем связи между компонентами, так и при помощи управляемых исследователем вручную отдельных компонентов, не предусматривающих связь между собой, таких как, например, камера генерации тепла и холода и высокоточное измерительное устройство. Однако в первом случае подобное оборудование оказывается несоизмеримо дорого по сравнению с автономными климатическими установками. В то же время, возможность установления связи с персональным компьютером любой более доступной установки открывает потенциал для модернизации методики проведения эксперимента и его автоматизации с наименьшими затратами.
Целью данной работы является исследование температурных зависимостей электрофизических свойств природных материалов в коаксиальной линии с использованием векторного анализатора цепей PNA E8363 Agilent Technologies, а также автоматизация процесса измерений.
Данная работа разделяется на следующие этапы:
а) проведение аналитического литературного обзора методик проведения температурных измерений;
б) ознакомление с инструкциями по эксплуатации оборудования;
в) разработка термостабильной ячейки для эксперимента;
г) освоение методики измерения и проведение пробных измерений;
д) разработка методов автоматизации эксперимента;
е) исследование температурных зависимостей свойств природных образцов наземной растительности;
ж) анализ полученных экспериментальных результатов.
На текущий момент существует большой объем информации об автоматизации эксперимента, однако количество публикаций с описанием автоматизации измерений температурных зависимостей электрофизических свойств материалов довольно невелико, что позволяет считать направление данной работы актуальным и востребованным.
В процессе выполнения работы была разработана термостабильная ячейка способная обеспечить автоматизацию процесса измерений температурных зависимостей диэлектрических свойств природных материалов на СВЧ, разработано программное обеспечение для управления температурой в ячейке, позволяющее интегрировать систему в разработанный и применяемый для подобных исследований программно-аппаратный комплекс для измерения температурных зависимостей.
Установлено, что разработанная схема термостабилизирующей установки в рамках исследования обладает рядом преимуществ в сравнении с климатической камерой: за счёт того, что обратная связь PID-регулятора осуществляется по температуре непосредственно корпуса коаксиальной ячейки, а также благодаря тому, что охлаждение происходит контактом металл-металл, исключая теплопередачу через воздух, охлаждение образцов и установление температур происходит быстрее, в среднем уменьшая общее время эксперимента в три раза, а установившаяся температура поддерживается более точно, что позволяет проводить более подробные исследования с минимальным шагом температуры.
В результате работы:
а) проведён литературный обзор актуальных методов измерения электрофизических свойств материалов, а также реализаций автоматизации измерений с использованием коаксиального метода;
б) освоены принципы работы с векторным анализатором Agilent PNA E8363 и камерой тепла-холода TESTA THC-80;
в) освоена методика измерений;
г) проведено сравнение методов поддержания температурного режима в эксперименте;
д) разработан и протестирован прототип термостабильной ячейки для обеспечения температурных режимов во время измерений, сокращающий общее время эксперимента и повышающий температурную точность;
е) предложена и обоснована замена климатической камеры в действующей установке на разработанную термоячейку;
ж) проведены измерения температурных зависимостей свойств различных частей растительных образцов;
з) описаны различия в спектрах коэффициента прохождения у корней и стеблей исследуемых образцов при различной влажности.
Измерения, настройка прототипов и отладка программ проводились на оборудовании центра коллективного пользования «Центр радиофизических измерений, диагностики и исследования параметров природных и искусственных материалов» (директор В.И. Сусляев).
