Published September 30, 2020 | Version v1
Publication Open

<scp>3D</scp> printed coaxial microwave resonator sensor for dielectric measurements of liquid

Creators

  • 1. University of Birmingham
  • 2. The Federal Polytechnic, Ado-Ekiti

Description

Abstract This paper presents a coaxial resonator for dielectric measurements of low and medium loss liquids at multiple resonance frequencies up to 8 GHz with the fundamental transverse electromagnetic (TEM) resonant mode at 2 GHz. The measurement is by filling the entire resonator cavity with the material under test and the permittivity of the material is readily extracted using simple equations. This technique provides an easy and accurate extraction method of dielectric properties without any analytical approximation and dedicated software algorithm as used in broadband open coaxial probes or the complex perturbation formula in resonator‐based methods. This significantly reduces the risk of systematic errors from the model approximation. The measured quality factor of the resonator is 2650 to 3500 depending on the resonant mode. This allows for the measurement of samples with loss tangents up to 0.05 (Acetone taken as a reference). The device was made by 3D printing and verified by measurements of several common solvents at all four resonance frequencies. The results obtained agree well with values reported in literature. Further measurements of crude oil samples were carried out and results confirmed with values obtained using other techniques.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

ملخص تقدم هذه الورقة مرنانًا متحد المحور لقياسات العزل الكهربائي للسوائل منخفضة ومتوسطة الفقد بترددات رنين متعددة تصل إلى 8 جيجا هرتز مع وضع الرنين الكهرومغناطيسي المستعرض الأساسي (TEM) عند 2 جيجا هرتز. يتم القياس عن طريق ملء تجويف الرنان بالكامل بالمادة قيد الاختبار ويتم استخراج سماحية المادة بسهولة باستخدام معادلات بسيطة. توفر هذه التقنية طريقة استخراج سهلة ودقيقة لخصائص العزل الكهربائي دون أي تقريب تحليلي وخوارزمية برمجية مخصصة كما هو مستخدم في المسابير المحورية المفتوحة ذات النطاق العريض أو صيغة الاضطراب المعقدة في الطرق القائمةعلى الرنان. هذا يقلل بشكل كبير من خطر الأخطاء المنهجية من تقريب النموذج. يتراوح عامل الجودة المقاس للمرنان من 2650 إلى 3500 اعتمادًا على وضع الرنين. وهذا يسمح بقياس العينات ذات الظلال المفقودة حتى 0.05 (الأسيتون مأخوذ كمرجع). تم تصنيع الجهاز عن طريق الطباعة ثلاثية الأبعاد وتم التحقق منه من خلال قياسات العديد من المذيبات الشائعة في جميع ترددات الرنين الأربعة. تتوافق النتائج التي تم الحصول عليها بشكل جيد مع القيم الواردة في الأدبيات. تم إجراء المزيد من القياسات لعينات النفط الخام وتأكدت النتائج مع القيم التي تم الحصول عليها باستخدام تقنيات أخرى.

Translated Description (French)

Résumé Cet article présente un résonateur coaxial pour les mesures diélectriques de liquides à pertes faibles et moyennes à des fréquences de résonance multiples allant jusqu'à 8 GHz avec le mode fondamental de résonance électromagnétique transverse (TEM) à 2 GHz. La mesure est effectuée en remplissant toute la cavité du résonateur avec le matériau testé et la permittivité du matériau est facilement extraite à l'aide d'équations simples. Cette technique fournit une méthode d'extraction facile et précise des propriétés diélectriques sans aucune approximation analytique et un algorithme logiciel dédié tel qu'utilisé dans les sondes coaxiales ouvertes à large bande ou la formule de perturbation complexe dans les méthodes baséessur un résonateur. Cela réduit considérablement le risque d'erreurs systématiques provenant de l'approximation du modèle. Le facteur de qualité mesuré du résonateur est de 2650 à 3500 en fonction du mode de résonance. Cela permet de mesurer des échantillons avec des tangentes de perte jusqu'à 0,05 (Acétone prise comme référence). L'appareil a été fabriqué par impression 3D et vérifié par des mesures de plusieurs solvants courants aux quatre fréquences de résonance. Les résultats obtenus concordent bien avec les valeurs rapportées dans la littérature. D'autres mesures d'échantillons de pétrole brut ont été effectuées et les résultats confirmés avec des valeurs obtenues à l'aide d'autres techniques.

Translated Description (Spanish)

Resumen Este artículo presenta un resonador coaxial para mediciones dieléctricas de líquidos de baja y media pérdida a múltiples frecuencias de resonancia de hasta 8 GHz con el modo resonante electromagnético transversal fundamental (TEM) a 2 GHz. La medición se realiza llenando toda la cavidad del resonador con el material bajo prueba y la permitividad del material se extrae fácilmente utilizando ecuaciones simples. Esta técnica proporciona un método de extracción fácil y preciso de propiedades dieléctricas sin ninguna aproximación analítica y algoritmo de software dedicado como se usa en sondas coaxiales abiertas de banda ancha o la fórmula de perturbación compleja en métodos basados en resonadores. Esto reduce significativamente el riesgo de errores sistemáticos de la aproximación del modelo. El factor de calidad medido del resonador es de 2650 a 3500 dependiendo del modo resonante. Esto permite la medición de muestras con tangentes de pérdida de hasta 0.05 (acetona tomada como referencia). El dispositivo se realizó mediante impresión 3D y se verificó mediante mediciones de varios disolventes comunes en las cuatro frecuencias de resonancia. Los resultados obtenidos concuerdan bien con los valores reportados en la literatura. Se realizaron mediciones adicionales de muestras de petróleo crudo y se confirmaron los resultados con valores obtenidos utilizando otras técnicas.

Files

mop.32679.pdf

Files (16.0 kB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:5341315171f64654455998d7110bc8a7
16.0 kB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
مستشعر رنان الميكروويف المحوري المطبوع<scp> ثلاثي الأبعاد</scp> لقياسات العزل الكهربائي للسائل
Translated title (French)
Capteur à résonateur micro-ondes coaxial imprimé en<scp> 3D</scp> pour les mesures diélectriques de liquide
Translated title (Spanish)
Sensor resonador de microondas coaxial impreso en<scp> 3D</scp> para mediciones dieléctricas de líquido

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3091666211
DOI
10.1002/mop.32679

Is supplement to
https://openalex.org/W2262672348 (Other)
https://openalex.org/W2332936907 (Other)
https://openalex.org/W2535163548 (Other)
https://openalex.org/W4247836664 (Other)
https://openalex.org/W1906655695 (Other)
https://openalex.org/W2096147676 (Other)
https://openalex.org/W2271785232 (Other)
https://openalex.org/W1885492657 (Other)
https://openalex.org/W4241291997 (Other)
https://openalex.org/W4390493867 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Nigeria

References

  • https://openalex.org/W1556080605
  • https://openalex.org/W1974360246
  • https://openalex.org/W1990137316
  • https://openalex.org/W2018683859
  • https://openalex.org/W2030401577
  • https://openalex.org/W2090616911
  • https://openalex.org/W2136295278
  • https://openalex.org/W2137549868
  • https://openalex.org/W2178271284
  • https://openalex.org/W2796933433
  • https://openalex.org/W2983994282
  • https://openalex.org/W4240060570