Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электронные приборы СВЧ. Учебное пособие для СПО
.pdf
81
диодах Ганна, имеющие почти идентичные электрические и температурные харак-
)(
0
ff
теристики и питающиеся от источника постоянного напряжения, подсоединяют к
симметричным плечам согласованного двойного Т-образного моста. Частота выход-
ного сигнала (разность
) является мерой диаметра нити.
Кратковременная нестабильность разности частот двух генераторов типичного
варианта такой установки, измеряемая цифровым счетчиком, оказалась менее 5 кГц,
в то время как долговременная нестабильность после получаса прогрева составила
около 20 кГц/ч. Источником этой долговременной нестабильности является, глав-
ным образом, различие в «тепловом» поведении генераторов. Существенное улуч-
шение стабильности достигается размещением генераторов в одном металлическом
корпусе.
При измерении диаметра нейлонового моноволокна погонной массой от 40 до
80 мг/м с диаметром, соответственно, от 0,21 до 0,29 мм погрешность определения
составила менее 1 %.
5.4 Измерение вибраций
Наиболее часто механические колебания (вибрации) представляют собой не-
желательные явления, накладывающиеся на полезные процессы в технологических
установках. В то же время, вибрации могут создаваться принудительно и выполнять
определенные функции, например в вибрационных питателях и конвейерах, исполь-
зуемых для транспортировки материалов.
Многие используемые для определения вибраций методы требуют контакта
чувствительного элемента с проверяемыми объектами, что может привести к нарушению контролируемых процессов. СВЧ методы дают возможность безынерционно
измерять виброперемещения, то есть амплитуды вибраций, виброскорости и вибро-
ускорения как контактно, так и бесконтактно, причем на достаточно больших часто-
тах, характерных для эксплуатации и испытаний технологических агрегатов [18].
СВЧ методы определения вибраций можно разделить на интерференционные
и резонаторные [2]. Методы первой группы предполагают зондирование контроли-
82
руемого объекта ЭМИ СВЧ диапазона с последующим приемом и анализом отраженного объектом излучения. В пространстве между излучателем и объектом как
результат интерференции будет образовываться стоячая волна. Наличие вибраций
порождает амплитудную и фазовую модуляции отраженных волн и формирование
сигналов биений. Амплитуда последних оказывается пропорциональной амплитуде
вибраций, а частота зависит от частоты вибраций проверяемого объекта. При ипользовании методов второй группы контролируемый объект помещают в ЭМП СВЧ резонатора. Под воздействием вибраций параметры резонатора меняются.
Интерференционный СВЧ измеритель вибраций может быть реализован на базе двойного волноводного Т-образного моста, баланс которого нарушается при колебании объекта (рисунок 5.12).
1 –объект; 2 –антенна; 3 – СВЧ генератор; 4 – двойной T-образный мост; 5 – детек-
тор; 6 – усилитель; 7 – индикатор; 8 – нагрузка
Рисунок 5.12 – Схема измерителя вибраций на базе двойного Т-образного моста
ЭМИ, направленное антенной 2 на контролируемый объект 1, отражаются от
последнего и принимается той же антенной. Мост 4 предварительно уравновешен
для неподвижного объекта, из-за чего сигнал на выходе моста равен нулю. Отсутствие сигнала получают регулировкой переменной нагрузки 8, содержащей, как
правило, аттенюатор и подвижный короткозамыкающий поршень. Перемещение
объекта выводит мост из равновесия, причем сигнал на выходе моста можно сделать
пропорциональным этому перемещению и, следовательно, появляется возможность
измерять амплитуды и частоты вибраций, а через них – и виброускорения.
83
Наименьшая фиксируемая усилителем 6 и индикатором 7 величина вибраций для
подобной схемы измерителя определяется шумами, мощностью и нестабильностью
СВЧ генератора 3, чувствительностью детектора 5, механической стабильностью
установки и достигает 100 нм.
В другом варианте измерительная схема содержит трехплечий циркулятор
(рисунок 5.13).
Рисунок 5.13 – Схема измерителя вибраций на основе циркулятора
Колебания с СВЧ генератора 5 через плечи 6 и 4 циркулятора 7 поступают на
антенну 2, которая излучает электромагнитные волны в сторону объекта 1, прини-
мает отраженные волны, которые через плечи 4 и 8 циркулятора 7 поступают на де-
тектор 9 и далее на усилитель 10 и индикатор 11. Сюда же поступает через плечи 4 и
8 циркулятора опорный сигнал, отраженный от специального штыря 3, расположен-
ного в волноводе между антенной и плечом 4 циркулятора. Размер опорного сигнала
регулируется местом расположения штыря и глубиной его погружения в волновод.
Рассмотрим двухканальный измеритель вибраций с волноводным Т-образным
мостом и двумя приемо-передающими антеннами (рисунок 5.14), предназначенный
для измерения вибраций прокатываемой металлической полосы и станины в метал-
лургическом производстве.
84
Рисунок 5.14 – Схема двухканального СВЧ измерителя вибраций
см2,3
Схема этого измерителя содержит следующие элементы:
– клистронный СВЧ генератор 2 с длиной генерируемой волны
;
– частотный модулятор 1, осуществляющий модуляцию частоты генератора
симметричными прямоугольными импульсами частотой 1 кГц;
– делитель СВЧ мощности в виде Т-образного моста 5 H-плоскостного типа,
осуществляющий равное деление мощности, поступающей в плечо H от генератора;
– ферритовые вентили 4 и 6;
– рупорные антенны 7 и 10 с диэлектрическими линзами 8, 11, отражающие
электромагнитные волны в плоскости прокатываемого листа 9 и в плоскости стани-
ны 12;
– измерительные линии 3 и 13;
– усилители переменного тока 14 и 15;
– полупроводниковые выпрямители 16 и 17;
– шлейфовый осциллограф 18.
85
Ферритовые вентили 4 и 6, представляющие собой отрезки прямоугольных
волноводов с помещенными в них ферритовыми пластинами, служат для развязки
генератора и измерительных плеч. Рупорные антенны, содержащие диэлектрические
двояковыпуклые линзы, представляют собой остронаправленные СВЧ излучатели с
фокусировкой. Рупоры конусного типа характеризуются диаграммой направленно-
сти от 10° до 11° по уровню 0,1, коэффициент стоячей волны (КСВ) не превышает
1,05.
Работа прибора состоит в следующем. Колебания с генератора, модулирован-
ные симметричными прямоугольными импульсами (меандром), поступают через Т-
образный мост в два измерительных канала. В одном канале электромагнитные вол-
ны проходят через вентиль 4 и излучаются рупором 7 по направлению к прокатыва-
емому листу 9, в другом канале – через вентиль 6 и излучаются рупором 10 по
направлению к станине 12. В результате интерференции падающих и отраженных
волн образуются стоячие волны с большим КСВ. Передвижные зонды измеритель-
ных линий 3 и 13 устанавливают в соответствии с пологим или крутым участками
поля стоячей волны так, чтобы сигналы в зондах при перемещении вибрирующих
поверхностей имели одно направление. Эти сигналы детектируются кристалличе-
скими высокочастотными детекторами таким образом, что на их выходе имеется
меняющийся по закону поля стоячей волны ток модулирующей частоты. Далее сиг-
налы с диодов поступают на усилители 14 и 15, а затем на выпрямители 16 и 17, по-
сле чего они подаются на шлейфовый осциллограф 18 для регистрации. Для градуи-
ровки измерителя предусмотрен специальный имитатор металлической плоскости.
Испытания показали, что при расстоянии между антенной и полосой в 400 мм
и более влияние температуры полосы на процесс и результаты измерений невелико
и, следовательно, измеритель такого типа может быть применен для измерения виб-
раций горячего металла.
5.5 Измерение влажности
Влагосодержанием называется безразмерная величина, равная массе воды,
находящейся в некотором объеме, отнесенной к массе сухого вещества в том же
86
объеме. Абсолютная влажность определяется массой воды, заключенной в единице
A
объема вещества, а относительная влажность, выражаемая в процентах, – отношением массы воды, заключенной в единице объема вещества, к массе влажного вещества в том же объеме.
СВЧ влагомеры обладают высокой чувствительностью, малыми погрешностями, а также возможностью бесконтактного измерения и интегрального определения влажности во всем объеме проверяемого вещества [1]. Благодаря указанным достоинствам методы СВЧ влагометрии широко применяются на практике для проверки жидкостей, газов, сыпучих и твёрдых объектов различных форм и размеров.
Эти методы основаны на использовании различия комплексной диэлектрической
проницаемости воды и веществ, в которых эта вода содержится. Существуют методы, базирующиеся на определении поглощения ЭМИ влажным веществом в вариантах «на отражение» или «на прохождение», на определении пропорционального влагосодержанию фазового сдвига или поляризации волн при их взаимодействии с
влажным веществом и другие. Созданы разнообразные варианты конструкций СВЧ
измерителей влажности резонаторного и волноводного типов, работа которых осно-
вана на изменении частоты резонатора или амплитуды, фазы, коэффициента отра-
жения и других параметров распространяющейся по направляющей системе волны,
зависящих от влажности находящегося в ЭМП резонатора или направляющей системы вещества [7].
Следует отметить, однако, что результаты измерения влажности СВЧ метода-
ми зависят от температуры, плотности материала и других неинформативных параметров, что повышает погрешность этих методов. Уменьшить зависимость от плотности и толщины слоя проверяемого вещества можно путем одновременного изме-
рения амплитуды
и фазового сдвига прошедшей через вещество волны.
Одновременное определение этих параметров A и может быть осуществлено методом «модулированной поднесущей частоты» с применением гомодинной
двухканальной схемы. Затухание амплитуды A может быть определено прямым или
уравновешенным, то есть с использованием образцового аттенюатора, преобразованием. Фазовый сдвиг измеряют методом сравнения с помощью образцового фазо-
87
вращателя. Схема измерителя влажности рассматриваемым методом приведена на
'
''
'''
i
рисунке 5.15.
1 – генератор Ω; 2, 11 – двойные Т-образные мосты; 3, 12 – каналы, 4 – генератор ω;
5 – модулятор; 6 – фазовращатель; 7 – передающая антенна; 8 – слой проверяемого
материала; 9 – приемная антенна; 10 – детектор; 13 – индикатор
Рисунок 5.15 – Схема измерителя влажности методом «модулированной поднесу-
щей частоты»
ЭМИ СВЧ генератора с частотой поступает в каналы 3 и 12. Колебания канала 3 модулируются частотой и, пройдя сквозь слой проверяемого материала,
смешиваются на детекторе 10 с немодулированными колебаниями канала 12. Выходной сигнал детектора имеет амплитуду, являющуюся функцией сдвига фазы немодулированных колебаний несущей частоты относительно модулированных колебаний «поднесущей» частоты.
От количества влаги в проверяемом материале зависят значения действитель-
ной
и мнимой
частей его относительной диэлектрической проницаемости:
. (5.9)
Описать как функцию влагосодержания W и плотности сухого материала чаще всего не получается. Для многих мягких с низкой плотностью органических
материалов (шерсть, табак, зерно, хлопок и так далее) в СВЧ диапазоне выражения
88
для величин
)1),('(
W
),(''W
),(
1),(
)(
W
W
WA
'
''
W
3
24,0
см
г
'
''
и
линейно зависят от плотности материала. Для
больших плотностей и высокого влагосодержания эти выражения начинают отличаться от линейных зависимостей, но считается, что результат вычисления по формуле
(5.10)
зависит лишь от содержания влаги. Такое допущение справедливо для многих используемых в промышленности веществ в довольно дольших диапазонах изменения
их плотности. Так, на рисунке 5.16 изображены графики экспериментально полу-
ченных зависимостей
, измерения проводились на частоте 12,5 ГГц) [1].
и
от
для хлопка (плотность сухого образца
Рисунок 5.16 – Графики зависимостей
,
от влажности
89
На рисунке 5.17 представлены графики зависимостей
'
''
''
1'
A
%15 constW
'
''
)(WA
)(WA
21
212
11
)(2
1
)(
QQ
fff
WA
f
,
и
от
плотности
при
.
Рисунок 5.17 – Графики зависимостей
,
и А от плотности
Эти данные подтверждают, что функция
нения плотности
Параметр
от 0,1 до 0,5 г/см3.
можно определить, поместив контролируемый образец мало-
постоянна в диапазоне изме-
го размера в полость объемного резонатора. Тогда для этого параметра будет справедливо выражение
, (5.11)
где
– собственная частота резонатора;
Q – добротность резонатора.
90
Индекс «1» соответствует пустому резонатору, индекс «2» – наличию веще-
11
H
ства в полости резонатора.
Для нахождения содержания влаги в нефтепродуктах используется практиче-
ски нечувствительный к сортности и температуре нефти способ его определения по
разности поглощения ЭМИ в проверяемой нефти и эталонном веществе.
Наибольшей областью взаимодействия с проверяемым потоком нефтепродуктов и, значит, максимальной чувствительностью обладают датчики на базе полого
металлического волновода, расположенного в трубопроводе и имеющего одинаковый с ним радиус внутреннего пространства. Сбор информации осуществляется с
охватом всего сечения потока вещества на измерительном участке, то есть имеет
место усреднение характеристик принимаемой волны. Так, изображенный на рисун-
ке 5.18 волноводный датчик предназначен для измерения влажности, например,
транспортируемой под давлением нефти.
Рисунок 5.18 – Чувствительный элемент волноводного датчика влажности
Измерительный волновод 1, в котором возбуждаются волны типа
, изго-
товлен из нержавеющей стали и имеет внутренний диаметр, равный диаметру тру-
бопровода. Рабочая частота составляет 9,4 ГГц. Возбуждение волн и съем мощности
в волноводе осуществляются с помощью элементов связи в виде прямоугольных
волноводов 2 и 3 через согласующие трансформаторы. На рисунке 5.19 показан такой заполненный диэлектриком 5 согласующий переход 4 с прямоугольного волновода на круглый.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]