Электронные приборы СВЧ. Учебное пособие

измерительном канале, позволяет устранить влияние изменений температуры, а

также параметров обезвоженной нефти. С помощью подобных систем можно изме-

рять влагосодержание с погрешностью не более 2,5 %. Возможна перестройка вла-

гомера на различные диапазоны измерения.

Если контролируемое вещество движется по диэлектрическому трубопроводу,

то измерители с волноводными датчиками строятся несколько иначе: трубопровод пропускают через сквозные отверстия в противоположных стенках измерительного волновода, изменяя характеристики распространяющихся в нем электромагнитных волн в соответствии с измеряемым параметром. В применяемых на нефтеперераба-

тывающих заводах влагомерах сырой нефти измерительный волновод 6 с пропу-

щенной через него тефлоновой трубкой 5 с циркулирующей нефтью включен в одно из боковых плеч двойного Т-образного моста 3 (рисунок 5.20).

1 – генератор СВЧ; 2 – аттенюатор; 3 – двойной Т-образный мост; 4, 9 – подвижные короткозамыкатели; 5 – труба нефти; 6, 7 – короткозамкнутые волноводы; 8 – ячей-

ка с эталонной нефтью; 10 – детектор; 11 – усилитель; 12 – регистратор Рисунок 5.20 –Схема влагомера нефти с опорным каналом

Нефть циркулирует в системе вспомогательных трубопроводов, подсоединен-

ных к основной магистрали. К другому боковому плечу моста подключен волновод

7 с находящейся в нем ячейкой 8, содержащей эталонную нефть того же месторож-

дения. Регулировка плеч моста осуществляется с помощью подвижных короткоза-

92

мыкателей 4 и 9. Электромагнитные колебания от клистронного СВЧ генератора 1 с

фиксированной частотой 9 ГГц поступают через аттенюатор 2 на мост 3 и далее на короткозамкнутые волноводы 6 и 7. В отсутствие воды в протекающей по трубке 5

нефти мост находится в состоянии равновесия и на выходе детектора 10 сигнал ра-

вен нулю. Если в нефти есть вода, то ее диэлектрическая проницаемость изменяется,

приводя к изменению фазы волны в измерительном волноводе по сравнению с фа-

зой опорной волны. В результате равновесие моста нарушается, поэтому на выходе детектора появляется сигнал, который поступает на усилитель 11 и затем на реги-

стратор (самописец) 12, отградуированный в единицах влажности в пределах от 0,3

% до 2 %. Погрешность измерения – не более 5 %. Возможен контроль изменения влажности до 0,1 %. Аналогичное устройство имеет в опорном волноводе не ячейку с эталонной нефтью, а эквивалентный установочный элемент. Такой прибор позво-

ляет регулировать влажность нефти, а также сигнализировать о наличии заданного влагосодержания.

5.6 Обнаружение и локализация утечек в нефтепроводах

Эксплуатация нефтепроводов невозможна без проверки и устранения утечек,

то есть нарушений герметичности трубопроводов. В настоящее время существенно возросло рабочее давление в гидравлических системах, а их расходные магистрали

(трубопроводы) часто располагаются в труднодоступных местах и имеют покрытие в виде значительного слоя теплоизоляции. Довольно остро стоит и проблема про-

верки, например, разного коммунального гидравлического оборудования.

Используемые СВЧ системы проверки нефтепроводов зондируют определен-

ными сигналами расположенные под проверяемым нефтепроводом линии передачи излучения [7]. Направленная в сторону нефтепровода часть линии должна быть вы-

полнена так, что при попадании на нее протекающей нефти меняется волновое со-

противление участка линии. Это может быть коаксиальная линия с редкой оплеткой

ввиде сетки с заполнением диэлектрическим материалом или двухпроводная линия

вдиэлектрической оболочке, а также волновод с обращенной к нефтепроводу про-

93

дольной щелью, герметично закрытой диэлектрическим материалом. Тогда место утечки определяется положением неоднородности в зондируемой линии.

Возможный вариант измерительной схемы, предназначенной для рассматри-

ваемой цели, приведен на рисунке 5.21.

1 – нефтепровод; 2 – коаксиальная линия; 3 – согласующие элементы; 4 – линии свя-

зи; 5 – коммутатор; 6 – импульсный генератор; 7 – регистратор Рисунок 5.21 – Схема нахождения утечек в нефтепроводе

В изоляции нефтепровода 1 уложена коаксиальная линия 2, которая состоит из изолирующего диэлектрического материала, а также внутреннего и внешнего сетча-

того проводников. Точки a, b, i, k вдоль линии находятся одна от другой на кратных половине длины волны излучения расстояниях. Для нахождения места утечки ли-

ния зондируется СВЧ излучением от генератора 6, подключенного посредством коммутатора 5 к началу линии (точка а). Коммутатор 5 по очереди подсоединяет к регистрирующему прибору 7 контролируемые точки b, i, к. Регистрирующий прибор

7 должен быть настроен на номинальную величину проверяемого параметра,

например, входного сопротивления Zвх линии. Если регистрирующий прибор фик-

сирует исходную величину Zвх , равную волновому сопротивлению каждой из по-

94

очередно подсоединяемых частей линии, длина которых кратна 2 , то это указывает на отсутствие утечки нефти из нефтепровода.

Если в каком-либо месте есть утечка, то вытекающая нефть изменит в данном месте диэлектрическую проницаемость и, следовательно, волновое сопротивление линии, что и отметит регистрирующий прибор 7. Информация о существовании утечки позволит выявить конкретный участок нефтепровода длиной L , равной це-

лому числу 2 :

где N 1,2, .

Значение сигнала, регистрируемое прибором 7, позволяет оценить степень утечки. Если информативным параметром является коэффициент отражения им-

пульсов, то просачивание жидкости из трубопровода приведет к увеличению коэф-

фициента отражения с соответствующим изменением амплитуды импульсов.

Очевидно, при последовательном опросе участков линии в качестве зондиру-

ющих сигналов можно использовать и непрерывные волны, локализуя область утеч-

ки на основании определения параметров стоячих волн (образующихся при соответ-

ствующих нагрузках этих участков), например резонансных частот участков линии.

Построенные согласно рассмотренным принципам устройства позволяют ди-

станционно и достаточно просто и быстро решать задачу обнаружения и локализа-

ции утечек, обеспечивая высокую точность измерения [18].

5.7 Определение ориентации волокон в бумаге и лесоматериалах

Важное место в технологических процессах изготовления бумаги и перера-

ботки древесины играет определение ориентации волокон, от которого зависит прочность материалов. Рассмотрим некоторые радиоволновые методы, позволяю-

95

щие решить данную задачу [3]. Они основаны на измерении диэлектрической анизо-

тропии материала, то есть зависимости его диэлектрической проницаемости от направления, поскольку эта зависимость обусловлена неравномерным распределе-

нием ориентации волокон.

В соответствии с одним из этих методов для контроля бумажного листа ис-

пользуется объемный СВЧ резонатор кубической формы. В нем возбуждаются ко-

лебания двух типов H101 и H011 , электрические поля которых взаимно перпендику-

лярны. В отсутствие бумаги в полости резонатора обе его собственные частоты оди-

наковы (то есть имеет место вырождение колебаний), а при наличии бумаги вырож-

дение снимается и возникает различие собственных частот, обусловленное ориента-

цией волокон.

Для обеспечения свободного введения бумажного листа в полость резонатора он разрезается на две части, которые имеют фланцы, предотвращающие утечку электромагнитной энергии [2].

Хорошие результаты с различными сортами бумаги дает, например, использо-

вание резонатора с длиной ребра 6,3 см. Собственные частоты такого полого резо-

натора для колебаний типов H101 и H011 составляют 3,4 ГГц. Девиация частоты ге-

нератора должна охватывать обе собственные частоты резонатора с бумагой. Изме-

ряется максимальный фазовый сдвиг между двумя выходными сигналами резонато-

ра.

Другой подход к определению анизотропии в бумажном листе и лесоматериа-

лах связан с применением поляризованных волн. Так, направления волокон в лесо-

материалах можно определять, анализируя поляризацию электромагнитной волны,

прошедшей через контролируемый материал или отраженной от него. Знание направления волокон в древесине позволяет определять ее прочность и, следова-

тельно, сортировать ее по прочности. Принцип действия подобного устройства за-

ключается в следующем. Электромагнитные волны от СВЧ генератора 1 (рисунок

5.22) поступают на передающую рупорную антенну 2, имея определенную плос-

кость поляризации, и после взаимодействия (прохождения или отражения) с кон-

96

тролируемым материалом 3, например пиломатериалом, поступают па приемную рупорную антенну 4 и приемный блок 5.

Рисунок 5.22 – Схема устройства для измерения направления волокон в лесоматериалах

На первом этапе процесса измерения антенны расположены так, как показано на рисунке 2, на втором этапе передающая антенна повернута на 90° вокруг ее про-

дольной оси. При этом достигается независимость результатов измерения от толщи-

ны материала и наличия в нем сучьев.

Сигнал Vc , несущий информацию об угловом направлении воло-

кон,определяется по формуле

где P – излучаемая мощность;

C – коэффициент ослабления мощности материалом; f () – функция угла расположения волокон.

Поскольку величины P и C могут быть выбраны постоянными, то сигнал Vc

является только функцией угла :

97

где k PC const .

При измерениях с другой поляризацией излучаемой волны будем иметь, соот-

ветственно, другой вид функции f () и, следовательно, другое значение сигнала

Vc . Если f1() и f2 () – функции расположения волокон при двух разных поляри-

зациях излучаемой волны, то соответствующие им сигналы

и, следовательно, отношение

является инвариантом к величине k . Это означает, что результат измерения не зави-

сит от колебаний излучаемой мощности P , от толщины и наличия неоднородностей

(сучьев) в контролируемом материале, влияющих на коэффициент C .

(5.17), может быть упрощен. В этом случае сигнал Vc может быть определен с по-

мощью следующего выражения:

98

где V1 – cигнал, получаемый при взаимно перпендикулярном расположении рупоров антенн 2 и 4, соответственно, вдоль и поперек продольной оси материала;

V2 – сигнал, получаемый для случая, когда плоскости поляризации обеих волн – излучаемой и принимаемой – параллельны или перпендикулярны продольной оси материала;

45 .

Измерения можно производить непрерывно в процессе движения материала по транспортеру. Рассмотренный метод может быть применен для контроля не толь-

ко пиломатериалов и досок, но и необработанной древесины. При контроле бревен целесообразно использовать измерительную схему с приемом отраженных волн.

СВЧ методы эффективны для контроля и измерения и других технологиче-

ских параметров: обнаружения сучьев и других дефектов в лесоматериалах и сорти-

ровки их по этому признаку, определения консистенции массы в процессе измель-

чения древесины, измерения влажности материалов и так далее.

5.8 Биологическое воздействие электромагнитных полей на человека

Электрические поля промышленной частоты от линий электропередачи, элек-

тропроводки, осветительных средств, электро- и электронных приборов практически постоянно воздействуют на человека в быту, на производстве и в транспорте и вы-

зывают у него иммунную недостаточность, увеличение риска заболеваний, сниже-

ние работоспособности и синдром хронической усталости [17].

ЭМП миллиметрового и сантиметрового диапазонов также оказывают суще-

ственное влияние на человека [8]. Непрерывно воздействуя на него, ЭМИ, генериру-

емые персональными компьютерами, мобильными телефонами и десятками других бытовых и промышленных приборов и установок, вносят неразбериху и путаницу в сложнейшие биоэлектрические процессы, которые протекают в каждом человеке

[11]. Из-за этого расстраивается нормальный жизненный ритм и запускаются пато-

логические механизмы, приводящие к уменьшению иммунитета, а также к развитию

99

нервно-психических, эндокринных, онкологических, сердечно-сосудистых и других заболеваний [12].

Конечно, каждый из источников ЭМИ в отдельности не оказывает существен-

ного воздействия на состояние здоровья конкретного человека, но их суммарный эффект является отрицательным. За последние пятьдесят лет общая мощность тех-

ногенных ЭМП, окружающих человека, увеличилась в десятки тысяч раз. Чрезмер-

ное влияние неестественных ЭМП на людей в силу их широкого распространения может быть более опасным, чем, например, радиация.

Организация новых производств и технологий создает новую среду существо-

вания человека, к жизни в которой человеческий организм еще не успел приспосо-

биться.

Для обеспечения здоровья и работоспособности человека необходимо прово-

дить контроль жилых и рабочих помещений на величины ЭМП. При создании пер-

спективных стройматериалов и конструкций необходимо учитывать их экранирую-

щие свойства.

5.9 Вопросы для самопроверки к пятому разделу

5.9.1 Какие существуют варианты реализации резонаторного метода измере-

ния толщины металлического листа?

5.9.2 Поясните принцип действия толщиномера с двумя независимыми объем-

ными резонаторами, расположенными с противоположных сторон металлического-

листа.

5.9.3 Каким образом СВЧ-методами измеряют диаметр металлических и ди-

электрических стержней, нитей и т. п.?

5.9.4Как может быть реализован СВЧ измеритель вибраций, основанный на интерференционном методе?

5.9.5Какие существуют СВЧ-методы измерения влажноси?

5.9.6Как устроен включенный в трубопровод чувствительный элемент волно-

водного датчика влажности на базе полого металлического волновода?

100