Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электронные приборы СВЧ. Учебное пособие для СПО
.pdf
91
11
H
W
11
H
10
H
Рисунок 5.19 – Чувствительный элемент волноводного датчика влажности
Для увеличения коэффициента передачи между волноводами 2 и 3 в измери-
тельном участке по обеим сторонам внутри волновода 1 в его диаметральной плос-
кости расположено по металлической пластине 6. Плоскости пластин параллельны
вектору электрического поля волны типа
и, являясь короткозамыкателями, не
препятствуют прохождению контролируемого вещества. Информативным парамет-
ром служит мощность принимаемой волны. Расчеты и проведенные эксперименты
показывают линейную зависимость затухания от влагосодержания W. В диапазоне
значений
от 14,5 % до 18,5 % погрешность измерения не превышает ±0,25 %.
В настоящее время применяются перестраиваемые направленные ответвители
для автоматического определения влагосодержания транспортируемой по металли-
ческому трубопроводу нефти.
В трубопроводе (круглом волноводе) возбуждается волна типа
моугольном волноводе ответвителя – типа
. С помощью подвижной металличе-
, а в пря-
ской или диэлектрической пластины, вводимой в прямоугольный волновод, ответ-
витель перестраивается до достижения максимального коэффициента связи между
данными волноводами. Максимум коэффициента связи соответствует равенству
волновых чисел этих волн. Данный метод рекомендуется для измерения влагосо-
держания нефти одного месторождения в диапазоне от 1 % до 20 %. Применение
двухканальной измерительной системы со вторым датчиком, через который цирку-
лирует обезвоженная нефть с теми же электрофизическими параметрами, что и в
92
измерительном канале, позволяет устранить влияние изменений температуры, а
также параметров обезвоженной нефти. С помощью подобных систем можно измерять влагосодержание с погрешностью не более 2,5 %. Возможна перестройка влагомера 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 нефтеперерабатывающих 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-
93
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 проверки, 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 выполнена так, что при попадании на нее протекающей нефти меняется волновое сопротивление участка линии. Это может быть коаксиальная линия с редкой оплеткой
в виде сетки с заполнением диэлектрическим материалом или двухпроводная линия
в диэлектрической оболочке, а также волновод с обращенной к нефтепроводу про-
94
дольной щелью, герметично закрытой диэлектрическим материалом. Тогда место
вх
Z
вх
Z
утечки определяется положением неоднородности в зондируемой линии.
Возможный вариант измерительной схемы, предназначенной для рассматриваемой 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 сетчатого проводников. Точки a, b, i, k вдоль линии находятся одна от другой на кратных
половине длины волны излучения
расстояниях. Для нахождения места утечки линия 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
сирует исходную величину
, равную волновому сопротивлению каждой из по-
линии. Если регистрирующий прибор фик-
95
очередно подсоединяемых частей линии, длина которых кратна
2
2
2
NL
,2,1N
, 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
:
, (5.12)
где
.
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-
96
щие решить данную задачу [3]. Они основаны на измерении диэлектрической анизо-
101
H
011
H
101
H
011
H
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
и
, 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, использование резонатора с длиной ребра 6,3 см. Собственные частоты такого полого резонатора для колебаний типов
и
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 заключается 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-
97
тролируемым материалом 3, например пиломатериалом, поступают па приемную
c
V
)(fCPV
c
P
)(f
P
c
V
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
, несущий информацию об угловом направлении
воло-
кон,определяется по формуле
, (5.13)
где
– излучаемая мощность;
C – коэффициент ослабления мощности материалом;
является только функцией угла
– функция угла расположения волокон.
Поскольку величины
и C могут быть выбраны постоянными, то сигнал
:
98
)(fkV
c
, (5.14)
constPCk
)(f
c
V
)(
1
f
)(
2
f
)(
11
fkV
c
)(
22
fkV
c
)(
)(
2
1
2
1
f
f
V
V
c
c
k
C
21c
c
V
V
c
V
2
21
1
sin
VV
V
V
c
где
.
При измерениях с другой поляризацией излучаемой волны будем иметь, соот-
ветственно, другой вид функции
. Если
и
– функции расположения волокон при двух разных поляри-
и, следовательно, другое значение сигнала
зациях излучаемой волны, то соответствующие им сигналы
, (5.15)
, (5.16)
и, следовательно, отношение
(5.17)
является инвариантом к величине
. 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
Процесс измерения, сводящийся к определению отношения
(5.17), может быть упрощен. В этом случае сигнал
может быть определен с по-
.
согласно
мощью следующего выражения:
, (5.18)
99
где
1
V
2
V
45
– cигнал, получаемый при взаимно перпендикулярном расположении рупоров
антенн 2 и 4, соответственно, вдоль и поперек продольной оси материала;
– сигнал, получаемый для случая, когда плоскости поляризации обеих волн –
излучаемой и принимаемой – параллельны или перпендикулярны продольной оси
материала;
.
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 существенное влияние на человека [8]. Непрерывно воздействуя на него, ЭМИ, генерируемые 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 патологические механизмы, приводящие к уменьшению иммунитета, а также к развитию
100
нервно-психических, эндокринных, онкологических, сердечно-сосудистых и других
заболеваний [12].
Конечно, каждый из источников ЭМИ в отдельности не оказывает существенного воздействия на состояние здоровья конкретного человека, но их суммарный
эффект является отрицательным. За последние пятьдесят лет общая мощность техногенных ЭМП, окружающих человека, увеличилась в десятки тысяч раз. Чрезмерное 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 перспективных стройматериалов и конструкций необходимо учитывать их экранирующие 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 объемными резонаторами, расположенными с противоположных сторон металлическоголиста.
5.9.3 Каким образом СВЧ-методами измеряют диаметр металлических и диэлектрических стержней, нитей и т. п.?
5.9.4 Как может быть реализован СВЧ измеритель вибраций, основанный на
интерференционном методе?
5.9.5 Какие существуют СВЧ-методы измерения влажноси?
5.9.6 Как устроен включенный в трубопровод чувствительный элемент волно-
водного датчика влажности на базе полого металлического волновода?
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]