литература / Sharapov_V._Datchiki

Глава 20. Радиоволновые датчики

процессах, позволяя проводить бесконтактным и контактным способами неразрушающий контроль полимерных, композитных и других материалов. Ее применяют при производстве листового стекла, контроле толщины огнеупорной футеровки в металлургических и стекловаренных установках, толщины изделий, изготовление которых сопровождается намоткой на барабан, толщины строительных конструкций и материалов, диэлектрических теплозащитных, антикоррозионных, дорожных и других покрытий диэлектрических слоистых материалов и т.п.

Взависимости от характера взаимодействия электромагнитной волны с объектом и возможности одноили двустороннего доступа к нему радиоволновые толщиномеры делятся на следующие группы: с прохождением зондирующей волны через объект, с ее отражением от объекта или находящегося за ним отражателя, с расположением объекта в поле колебательной или направляющей системы. Существуют различные устройства, в которых реализуются указанные виды взаимодействия. Вопросы построения этих устройств достаточно хорошо освещены в литературе [7, 17, 20]. Рассмотрим наиболее характерные примеры.

Взависимости от вида информативного параметра методы измерения толщины разделяют на амплитудный, фазовый, геометрический, интерференционный (амплитудно-фазовый), переменной частоты (частотно-фазовый), поляризационный, импульсный, резонаторный, волноводный. При выборе метода измерения толщины d следует учитывать ее соотношение с длиной л зондирующей волны. При измерении толщины покрытий полезны следующие рекомендации [5]. При d >> л интерференционными явлениями в покрытиях можно пренебречь и для измерения d использовать изменение фазы волны, а при очень больших значениях d (например, при измерении толщины льдов) — также и время распространения волны; в ряде случаев возможно определение толщины путем пассивной (по собственному тепловому излучению) локации объекта. При d ~ л интерференционными явлениями пренебречь нельзя, коэффициент отражения и набег фазы являются функциями диэлектрической проницаемости вещества и отношения d/л, возможно эффективное применение метода переменной частоты и интерференционного метода. При d << л целесообразно применение резонаторного метода и метода квазиоптической поляриметрии. Учет соотношения между d и л необходим и при контроле однослойных материалов, без подстилающей поверхности, а также покрытий при использовании других методов толщинометрии.

Измеряемая толщина по значению мощности (амплитуды), прошедшей че-

рез образец волны, есть d Pпад / 2< tg Pпp , где л — длина волны; е и tg д — диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь материала образца; Рпад и Рпр — мощность падающей и прошедшей волн. Отсюда следует, что результат измерения d зависит от е и tg д и высокоточные измерения возможны только при неизменности этих параметров; необходима также высокая степень стабильности частоты генератора. Согласно фазовому методу измеряют сдвиг Дц фазы, прошедшей через материал волны, которая связана с толщиной: d / 2<( 1). Для однозначных измерений толщины Дц не дол-

жен превышать р, и диапазон однозначного измерения d / [2( 1)]. Реа-

20.2. Датчики геометрических параметров

лизация амплитудного и фазового методов возможна и при измерениях параметров отраженной волны, при нормальном или наклонном падении волны на материал или покрытие. При этом для их зондирования и приема отраженных волн можно использовать как раздельные антенны, так и одну приемо-пе- редающую антенну.

Геометрический метод основан на зондировании плоского слоя контролируемого материала или покрытия электромагнитным лучом под некоторым углом и к нормали к поверхности слоя (рис. 20.2, а) и определении расстояния а между точками входа и выхода луча, т.е. между лучом 1, отраженным от передней поверхности слоя, и лучом 2, отраженным от задней поверхности слоя. Толщина слоя есть d a sin 2 4 / sin 24. Этот метод можно использовать также в режиме «на прохождение» (рис. 20.2, б). Проводя измерения по двухканальной схеме, выбрав разные углы и1 и и2 зондирования слоя, можно обеспечить инвариантность результата измерения толщины к величине ; для этого достаточно выполнить несложное совместное преобразование соотношения указанного вида, записанного для углов и1 и и2.

Рис. 20.2. Схема для реализации геометрического метода измерения толщины слоя

Интерференционный (амплитудно фазовый) метод базируется на наличии функциональной связи между коэффициентом отражения от диэлектрического слоя и его толщиной [5]. Изменение коэффициента отражения обычно контролируется с помощью введения дополнительного опорного канала, работающего на той же длине волны.

Метод переменной частоты (частотно фазовый метод) предполагает зондирование объекта волнами, модулированными по частоте. Изменяя частоту генератора и регистрируя значения частоты, соответствующие экстремальным значениям отраженного от диэлектрического слоя сигнала, можно определить толщину d слоя [5]: d c / [4 ( f1 f 2 )], где f1 и f2 — частоты, соответствующие двум соседним отраженным от слоя сигналам; е — диэлектрическая проницаемость материала слоя; с — скорость света. Толщиномер в простейшем случае содержит СВЧ генератор частотно-модулированных колебаний, колебания с которого поступают на передающую антенну. Излучаемые ею в сторону материала или покрытия волны отражаются, поступают на приемную антенну, далее на усилитель и преобразователь, в котором определяются f1 ­ f2 и, следовательно, d.

Для измерения толщины диэлектрического покрытия на металлическом или диэлектрическом основании и металлической пленки на диэлектрическом основании может быть использован метод квазиоптической поляриметрии (эл-

Глава 20. Радиоволновые датчики

липсометрии), реализуемый в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн [7]. Сущность этого метода состоит в том, что характер поляризации отраженной от границы раздела двух сред волны зависит от свойств границы раздела — от толщины и электрических параметров зондируемого слоя, а также от свойств подложки. При наклонном падении электромагнитной волны ее составляющие, лежащие в плоскости падения и перпендикулярные к ней, отражаются по-разному, и между ними возникает относительный сдвиг фаз и относительное изменение амплитуд. Измеряя отличие поляризационных характеристик (эллиптичности и азимута) отраженной и падающей волн, можно определять толщину покрытия при известных электрофизических параметрах этого покрытия и подложки.

Импульсный метод предполагает наличие радиоимпульсов, отраженных от границ слоя, и измерение интервала времени Дt, например, между максимумами огибающих радиоимпульсов, который для однородного слоя с относительной диэлектрической проницаемостью е определяется соотношениемt 2d Re( ) / c [20]. Высокие точность и чувствительность могут обеспечить

резонаторные и волноводные толщиномеры, когда объект размещается в поле резонатора или направляющей системы [5].

Применение линий передачи электромагнитной энергии позволяет в ряде случаев достаточно просто и с высокой точностью измерять толщину диэлектрических материалов. Возможны реализации на основе длинных линий и волноводов разных конструкций. На рис. 20.3 приведена схема фазоизмерительного устройства [5], в которой материал в виде пленки или пластины размещен между проводниками открытой двухпроводной линии 8. Разность фаз Дц в измерительном и опорном каналах является функцией толщины. Такая схема позволяет бесконтактным способом определять толщину материалов, диэлектрическая проницаемость которых лежит в пределах 2 Χ 40, в диапазоне 0,025 Χ 10 мм, причем чувствительность к поперечным перемещениям материала между проводниками линии имеет допустимо малую величину. Проводники линии могут иметь различную форму: плоскую, цилиндрическую и др. Обычно используемые частоты для таких устройств лежат в пределах 10 Χ 1000 МГц. Эксперименты проводились на таких материалах, как органическое стекло, тефлон и др.

Рис. 20.3. Схема с двухпроводной линией, применяемой для измерения толщины диэлектрика: 1 — ВЧ генератор; 2 — делитель мощности; 3 и 4 — измерительный и опорный каналы; 5 — коаксиальные линии передачи; 6 и 9 — симметрирующие устройства; 7 — контролируемый материал; 8 — открытая двухпроводная линия; 10 — векторный вольтметр

Для измерения толщины используются также автогенераторные устройства с различными типами датчиков на основе дипольных антенн, отрезков длинных линий и др. [13]. Такие толщиномеры применяются, в частности, в горном деле для измерения толщины угольной пачки с целью управления движе-

20.2. Датчики геометрических параметров

нием выемочных комбайнов (пределы измерения 0 Χ 0,2 м), ширины межкамерных угольных целиков (пределы измерения 0,2 Χ 0,8 м) для поддержания кровли при выемке угля без крепления и постоянного присутствия людей в забое. Объект влияет на параметры колебательной или излучающей системы, являющейся частью колебательной системы автогенератора, изменяя его те или иные характеристики.

Датчики диаметра

Датчики диаметра протяженных изделий. Для измерения диаметра металлических и диэлектрических стержней, нитей и т.п. наиболее часто применяются устройства с СВЧ датчиками резонаторного типа. Один из наиболее известных резонаторных методов измерения заключается в пропускании изделия (провода, стержни, нити) через сквозное отверстие в полости объемного резонатора и измерении его резонансной частоты [5].

Рассмотрим возможность применения резонаторного метода для бесконтактного измерения диаметра тонких диэлектрических нитей [5]. В качестве ЧЭ используют резонаторную полость генератора на диоде Ганна (рис. 20.4). Контролируемую нить 4 пропускают через резонаторную полость 5, представляющую собой отрезок прямоугольного волновода. Присутствие нити в полости генератора влияет на его рабочую частоту, которая сравнивается с частотой идентичного, но ненагруженного генератора. Разность частот, зависящая от диаметра нити, измеряется частотомером. Для экспериментальных исследований было выбрано нейлоновое моноволокно массой 40 Χ 80 мг/м и с соответствующим этой массе диаметром 0,21 Χ 0,29 мм. Погрешность измерения не превосходила 1 %.

Рис. 20.4. Генератор на диоде Ганна с резонаторной полостью, содержащей контролируемую нить: 1 — диод Ганна; 2 — ВЧ дроссель; 3 — вывод на источник постоянного напряжения; 4 —контролируемая нить; 5 — полость резонатора

Для измерения диаметра помимо объемных применяют и открытые СВЧрезонаторы, а также волноводы и излучающие устройства. Для определения эксцентриситета вращающихся изделий может быть применен метод, связанный с анализом спектральных характеристик отраженных от изделий волн. Характеристики этих волн не зависят от радиуса цилиндрического изделия и определяются только его эксцентриситетом. Его можно измерять и с помощью интерферометров СВЧ диапазона, когда микроперемещения вращающегося вала на расстояние менее четверти длины волны приводят к соответствующим изменениям выходного напряжения [5].

Датчики внутреннего диаметра труб. В процессе производства и эксплуатации возникает необходимость измерения диаметра и длины труб, например, мелкосортного проката и труб малого диаметра на металлургических и машиностроительных предприятиях. Возникает также задача контроля отклонения поперечного сечения трубы от цилиндрической формы.

Глава 20. Радиоволновые датчики

В [5] рассмотрен метод измерения внутреннего диаметра (толщины стенок) металлической трубы; он применим и в тех случаях, когда достаточно определить усредненное значение диаметра трубы в каком-либо сечении. Внутрь трубы вводится, например, соосно с трубой, металлическая штанга (рис. 20.5), у которой на некотором участке увеличен поперечный размер. Область между внутренней поверхностью трубы и штангой на этом участке может быть рассмотрена как открытый предельный резонатор коаксиального типа, работающий на колебаниях первого высшего типа Н111. Эта область ограничена на рис. 20.5 пунктирными линиями. Штангу можно изготовить относительно тонкой, увеличив лишь ее диаметр на участке с открытым предельным резонатором. Элементы и кабели для возбуждения и съема колебаний могут быть расположены как на наружной поверхности штанги, так и внутри полой штанги.

Рис. 20.5. Схема устройства для измерения внутреннего диаметра трубы с открытым предельным резонатором коаксиального типа: 1 — контролируемая труба; 2 — полая металлическая штанга; 3 — линия связи; 4 — открытый предельный резонатор; 5 — элемент возбуждения и съема колебаний

Датчики длины протяженных изделий

Для бесконтактного измерения длины протяженных изделий — труб, стержней и т.п. — на машиностроительных и металлургических заводах могут быть предложены достаточно простые в реализации датчики. Рассмотрим наиболее характерные из них [4, 5]. Изделие (труба), расположенное над металлическим экраном на изолирующих направляющих, служит одним из проводников отрезка двухпроводной длинной линии, разомкнутой на концах. Другим проводником является заземленный экран. Электромагнитные колебания в таком отрезке линии возбуждаются от высокочастотного генератора с помощью петли связи. Устройство содержит также несколько резонансных масштабных датчиков грубого отсчета на основе отрезков коаксиальной длинной линии, которые настроены на резонансные частоты, соответствующие длинам труб, кратным целым метрам. Труба связана с помощью элемента связи со вторичным блоком прибора. Измеряя резонансную частоту f колебаний такого отрезка длинной линии, можно определить длину l металлической трубы или стержня. В устройстве путем автоматической реализации алгоритма осуществляется измерение длины l = L ­ МQ ­ mq, где L — базовая длина, равная максимально возможной длине трубы (стержня); М = = 1 м — цена деления импульса грубого отсчета m = 1 мм — цена деления импульса точного отсчета; Q и q — число импульсов, соответствующее грубому и точному отсчетам длины трубы или стержня. Как показали испытания,

20.3. Датчики механических величин

абсолютная погрешность измерения труб диаметром 6 Χ 18 мм длиной 1,5 Χ 9 м не превышает 20 мм.

Длину движущихся протяженных изделий можно определять с применением СВЧ доплеровских измерителей [5]. Основной частью прибора является обычный доплеровский радар с параболической антенной. Частота доплеровского сигнала измерялась цифровым волномером, соединенным с выходом приемника. Этот прибор удобен для проведения непрерывных измерений длины и скорости стальных листов на станах горячей прокатки.

20.3. Датчики механических величин

Понятие механические величины можно трактовать достаточно широко, относя к этой группе параметров как рассмотренные ранее размеры изделий, так и параметры движения объектов. Здесь рассмотрены вопросы измерения уровня, количества веществ в различных емкостях, а также давления, усилий, деформаций и механических напряжений. Методы измерения малых расстояний и перемещений часто связаны с бесконтактными методами измерения уровня, что позволяет излагать их сущность с единых позиций.

Датчики уровня

Измерения с применением отрезков длинной линии. Поскольку резонанс в датчике в виде отрезка длинной линии, погруженного в контролируемую среду, уровень которой необходимо измерить, может иметь место при высокой добротности резонатора, то следует различать среды по электрическим свойствам — диэлектрические, электропроводные и несовершенные диэлектрики. Для измерения уровня электропроводных сред наиболее прост ЧЭ в виде отрезка линии, закороченного снизу (рис. 20.6) [3, 4]. В этом случае изменение уровня равносильно перемещению короткозамыкателя по высоте. Подключение удлинительного кабеля (длиной lk) дает возможность уменьшить диапазон изменения резонансной частоты ЧЭ при заполнении его средой и получить более близкую к линейной зависимость частоты от уровня. Резонансные датчики уровня диэлектрических сред также можно реализовать на основе отрезка линии, закороченного на конце. Его основное достоинство — независимость выходной характеристики от поперечных размеров линии, позволяя без каких-либо дополнительных технологических требований обеспечить взаимозаменяемость ЧЭ.

Для измерения уровня сред, являющихся несовершенными диэлектриками и проводниками, датчики строятся на отрезках длинных линий, проводники которых покрыты диэлектрическими оболочками [4]. Наличие диэлектрической оболочки у проводников линии приводит к уменьшению потерь электромагнитной энергии в ЧЭ. Выбором соответствующей толщины оболочки задача изме-

Глава 20. Радиоволновые датчики

рения уровня несовершенных диэлектриков сводится к измерению уровня диэлектрических сред.

Измерение уровня путем локации контролируемой поверхности. Представляют интерес уровнемеры, в которых волна распространяется в свободном пространстве. В основу их построения могут быть положены методы, используемые в радиолокационной технике для оценки расстояния до объекта. По принципу действия такие уровнемеры делят на три группы — импульсные, фазовые и частотные.

В импульсном уровнемере зондирующий сигнал представляет собой короткий радиоимпульс, по времени прохождения которого до поверхности среды и обратно производится оценка расстояния. Для измерения расстояний, не превышающих нескольких десятков метров (диапазон, характерный для измерения уровня на технологических объектах), необходимы зондирующие импульсы длительностью не более десятых долей наносекунды [4, 5]. Построение уровнемеров с частотной модуляцией основано на применении генератора, который вырабатывает колебания с частотой, изменяющейся периодически, например, по линейному закону [5].

Время импульсные уровнемеры на основе направляющих систем. При возбуждении длинной линии коротким импульсом, который отражается от границы раздела окружающей среды с контролируемой средой, интервал времени между запускающим и отраженным импульсами пропорционален расстоянию от прие- мо-передающего устройства до границы раздела сред. Реализация этого принципа связана с измерением очень малых интервалов времени и созданием коротких зондирующих импульсов. Например, для диапазона измерения 0 Χ 1 м длительность зондирующего импульса должна быть не более 1 нс, так как интервал между ним и отраженным импульсом составляет величину порядка 7 нс.

Для одноточечной сигнализации уровня в емкостях находят применение СВЧ-сигнализаторы в силу их достоинств — бесконтактности контроля и компактности конструкции. Обычно в этих устройствах измеряют мощность отраженной от границы раздела волны или прошедшей волны [4, 5].

Инвариантные измерения уровня. Во многих случаях датчик уровня в реальных условиях эксплуатации находится под воздействием мешающих факторов, изменяющихся в широких диапазонах. Их изменение может привести к значительным изменениям диэлектрической проницаемости контролируемой среды или ее проводимости. Один из путей повышения точности состоит в создании датчиков, инвариантных к возмущениям, за счет организации дополнительных каналов преобразования, число которых определяется числом компенсируемых возмущений [14]. Анализируя выходные характеристики резонансных датчиков, можно отметить особенности реализации инвариантных уровнемеров. Функции преобразования каналов, удовлетворяющих условию инвариантности, легко сформировать путем включения различных реактивных нагрузок на концах отрезков линии (например, один отрезок может быть короткозамкнут, а другой — разомкнут). Инвариантные уровнемеры могут быть построены также на основе одного отрезка длинной линии [4, 5]. При измерении уровня диэлектрических сред с высокой точностью необходима компенсация влияния изменения диэлектрической проницаемости е. Приближенная выходная характеристика имеет вид f f0 [1 ( 1) ( x)] 1/2 , где ц(x) характеризует распределение энер-

20.3. Датчики механических величин

гии электрического поля вдоль линии. Отсюда следует, что если реализовать два канала преобразования датчика, у которых отличаются функции ц(x), ц1(x) ! ! ц2(x), при любом x (0,1), то можно получить преобразование резонансных

частот каналов, независимое от е, в виде A1 [( f10 / f1 )2 1] / [( f 20 / f 2 )2 1]. Условие ц1(x) ! ц2(x) означает отличие закона распределения электрической

энергии вдоль отрезков линии и может быть реализовано включением различных нагрузок на концах отрезков линии. Возможны упрощенные модификации приведенных здесь соотношений [4].

Эффективно применение инвариантных уровнемеров для измерения уровня криогенных жидкостей, которые могут содержать несколько секций (отрезков длинной линии). Каждая секция представляет собой автономный датчик, что обеспечивает независимость абсолютной погрешности измерения от диапазона измерения. Уровень криогенной среды определяется на основе суммарной информации о заполнении секций [4].

Датчики количества вещества, произвольно распределенного по объему емкости

Для измерения количества произвольно распределенного в емкости вещества требуется выбрать физический параметр, однозначно связанный с объемом заполнения независимо от его конфигурации. В классе электромагнитных систем это требование должно быть выполнено для какого-либо из рассмотренных выше информативных параметров, в частности, для резонансной частоты или числа резонансных импульсов.

вием давления, усилия или при деформации контролируемого объекта изменяются характеристики электромагнитных полей в резонаторах и, как ре-

Глава 20. Радиоволновые датчики

зультат, их информативные параметры — собственная частота и добротность. Большинство известных датчиков построены на основе ВЧ и СВЧ резонаторов, у которых изменяются резонансные частоты и размеры полости при внешнем воздействии.

Для применения в ядерных реакторах-размножителях разработан СВЧ измеритель давления, имеющий гибкую торцевую стенку полости цилиндрического резонатора [5]. Он позволяет определять давление в жидкометаллическом веществе (например, жидком натрии), используемом в качестве теплоносителя и позволяющем обеспечить эффективное охлаждение реактора. В датчике длина l полости изменяется под влиянием давления, воздействующего на

(рис. 20.8, б). Оба резонатора изготовлены из меди и, соприкасаясь друг с другом по боковой стенке, находятся в одинаковых температурных условиях. Резонаторы заклю-

чены в цилиндр из нержавеющей стали длиной 1,9 см и диаметром 3,3 см; чувствительная к давлению торцевая стенка каждого резонатора (диафрагма из нержавеющей стали) представляла собой диск очень малой толщины (0,15 мм). В обоих резонаторах возбуждают колебания типа Н012 на частоте 35,8 ГГц; добротность резонаторов составляла около 5100. Выходным сигналом датчика является разность резонансных частот данных резонаторов, инвариантная к температуре окружающей среды. Внутри реактора находятся резонаторы, полностью или только своей диафрагмой погруженные в жидкий металл, а также два металлических волновода, каждый из которых служит для возбуждения электромагнитных колебаний в резонаторах, их съема и передачу на вторичную аппаратуру, которая расположена вне реактора. Выходная характеристика такого двухканального датчика близка к линейной в диапазоне температур 40 Χ 650 °С и для давлений до 105 Па, а чувствительность изменялась от 73,5 Гц/Па при 40 °С до 120 Гц/Па при 650 °С, соответственно. Для резких изменений давления постоянная времени составила менее 7,5 мс. Возможно измерение давления в жидком металле (теплоносителе) в системах ох-