Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

литература / Sharapov_V._Datchiki

.pdf
Скачиваний:
1870
Добавлен:
06.06.2017
Размер:
38.45 Mб
Скачать

Глава 20. Радиоволновые датчики

стью v отражателю 3 волны с частотой f0 после отражения от него поступают на приемную антенну 4, имея частоту f0 ± fд (верхний знак соответствует приближению отражателя, нижний — удалению). Далее принятые сигналы подаются на смеситель, приходят также колебания частоты f0 с генератора fд колебаний на выходе смесителя пропорциональна скорости Π отражателя. В варианте, изображенном на рис. 20.9, б и содержащем двойной Т-образный мост, имеется одна приемо-передающая антенна 4. Здесь также обозначены: 1 — СВЧ генератор; 2 — короткозамыкающий поршень; 3 — смеситель.

Другой подход к измерению скорости с применением излучающих устройств заключается в реализации интерференционного метода. Между прие- мо-передающей антенной и контролируемым объектом (проводником или диэлектриком) в результате интерференции зондирующих и отраженных волн устанавливается в пространстве режим смешанных волн, при котором минимумы и максимумы напряженности электрического и магнитного полей имеют ненулевые значения. Число узлов или (и) пучностей поля, зависящее от расстояния до объекта, при его движении изменяется; подсчет этого числа позволяет определить скорость объекта [5].

Датчики скорости потока и расхода

Радиоволновые анемометры и расходомеры во многом способствуют решению технологических задач измерения параметров потоков веществ, в том числе сыпучих материалов, жидкостей с твердыми и газовыми включениями и др. Работа большинства известных типов измерителей скорости потока и расхода основана на использовании эффекта Доплера, имеющего место при рассеянии электромагнитных волн на естественных или искусственных неоднородностях (метках) контролируемого вещества в потоке. Работа недоплеровских радиоволновых расходомеров основана на косвенном восприятии информации о потоке, когда гидродинамические параметры потока оказывают деформирующее или иное воздействие на резонаторный или волноводный датчик, изменяя его характеристики; в этом случае возможные способы получения первичной информации сходны с теми, которые рассмотрены ранее для измерения деформаций, усилий и давления.

Применение излучающих устройств обеспечивает бесконтактное зондирование потока вещества в открытых системах и трубопроводах. Реализация измерителей связана с зондированием потока непрерывными электромагнитными волнами (хотя возможно и импульсное зондирование). При взаимодействии волны с движущимся веществом частота f0 волны изменяется на значение доплеровской частоты fд. Обычно функциональная схема доплеровского измерителя в простейшем случае содержит генератор электромагнитных колебаний, которые поступают на передающую антенну. Излучаемые антенной волны рассеиваются на неоднородностях движущегося вещества и поступают на приемную антенну с частотой f, отличной от частоты f0 зондирующей волны на частоту fд. Затем обе волны частот f и f0 подаются на смеситель, на выходе образуется сигнал разностной частоты fд = f f0, который после фильтрации и усиления поступает на выходное устройство. Таким путем определяется скорость потока вещества (точнее, его неоднородностей). Неоднородностями вещества, рассеивающими электромагнитные волны, могут быть частицы сыпу-

20.4. Датчики параметров движения

чего материала, газовые или твердые включения в жидкости, твердые частицы и капли жидкости в потоке газа, шероховатости поверхности жидкости и сыпучего вещества в открытой системе и т.п. Возможно также введение искусственных рассеивателей (меток, например, тепловых). Во всех случаях неоднородности должны обладать электрофизическими параметрами, отличными от таковых для контролируемого вещества, или иметь в открытых потоках геометрические неоднородности в распределении вещества.

Зная скорость Π потока вещества и объемную плотность с вещества, можно определить массовый расход: Q = s Π, где s — площадь поперечного сечения потока на измерительном участке. Плотность с является плотностью неоднородного вещества, так что фактически речь следует вести о ее усредненном значении или учесть при вычислении массового расхода Q ее распределение (а также и распределение скорости Π) по сечению потока.

Направляющие системы и резонаторы — отрезки полых волноводов, длинных линий, объемные резонаторы проточного типа — встраивают в трубопровод на его измерительном участке или располагают вне контролируемого вещества в трубопроводе или открытой системе. Измерители с волноводными датчиками обеспечивают получение усредненной по всему объему измерительного участка (его сечению и длине) информации, что часто бывает важно на практике.

Возможна реализация схем доплеровского расходомера, содержащего как одну приемо-передающую антенну (моностатическая конфигурация), так и отдельные передающую и приемную антенны (бистатическая конфигурация) [5].

Врасходомере (рис. 20.10), содержащем отдельные передающую 2 и приемную 4 антенны (бистатическая конфигурация), достигается требуемая развязка между генератором 1 и приемным блоком 5. Применение двух антенн вместо одной приемо-передающей приводит к некоторому усложнению конструкции. Однако преимуществом такой конструкции может являться большая степень локализации измерительного объема в пределах области пересечения диаграмм направленности передающей и приемной антенн. Контролируемое вещество — сыпучий материал (зерно, песок) — поступает под действием силы тяжести через воронку в вертикальную пластиковую трубу, откуда попадает в приемный бункер (на рисунке воронка и бункер не показаны). 3аслонка в нижней части воронки позволяет регулировать размер отверстия и тем самым расход вещества.

Вэкспериментах непрерывная подача вещества из приемного бункера в ворон-

ку производилась с помощью шнекового транспортера. Колебания частоты f0 (10,525 ГГц) с генератора 1 поступают на передающую антенну 2. Излучаемая

Рис. 20.10. Схема расходомера с передающей и приемной антеннами: 1 — СВЧ генератор; 2 — передающая антенна; 3 — трубопровод; 4 — приемная антенна; 5 — приемный блок; 6 — блок выделения и обработки доплеровского сигнала; 7 — индикатор

Глава 20. Радиоволновые датчики

ею волна направляется в сторону потока вещества в трубопроводе 3. Часть энергии излучаемой волны, рассеиваемая на неоднородностях вещества, поступает в приемную антенну 4, причем частота рассеянной (отраженной) волны изменяется на величину fд. Калибровка расходомера производится путем взвешивания порции вещества, прошедшей за определенный промежуток времени.

Доплеровский сигнал на входе блока выделения и обработки доплеровского сигнала в общем случае представляет собой сигнал не одной частоты, соответствующей одиночному отражателю, а сложный сигнал, образующийся в результате рассеяния волны неоднородностями вещества (частицами сыпучего материала, твердыми или газовыми включениями в жидкости и др.). Произвольная ориентация неоднородностей, случайные значения фазы отраженных каждой неоднородностью сигналов приводят к образованию доплеровского сигнала сложной формы. Тем не менее средняя доплеровская частота f д пропорциональна средней скорости Π потока (точнее, неоднородностей). Время усреднения зависит от скорости потока и может варьироваться приблизительно от 5 с при очень малых скоростях (0,04 м/с) до 1 с при скоростях, соответствующих доплеровским частотам порядка 100 Гц (Π = 2 м/с). Частота fд соответствует максимуму спектральной мощности.

Помимо доплеровских известны радиоволновые анемометры и расходомеры, работа которых основана на корреляционном методе. Согласно этому методу контролируемый поток зондируется в двух точках в перпендикулярном к нему направлении, принимаются соответствующие рассеянные на неоднородностях (или метках) сигналы, которые обрабатываются для определения максимума взаимно-корреляционной функции, соответствующего скорости потока. По существу, реализация корреляционного метода в ВЧ и СВЧ диапазонах электромагнитных волн сходна с реализацией его разновидностей на основе других физических принципов (ультразвукового, емкостного, теплового, оптического и других методов). Отличие может состоять в устройствах ввода энергии в поток и ее вывода после взаимодействия с веществом в потоке, а также в характере (физических свойствах, размерах и т.п.) рассеивающих неоднородностей, обеспечивающих приемлемую чувствительность приборов. Радиоволновые корреляционные измерители могут быть применены для бесконтактного контроля потоков как в трубопроводах, так и в открытых системах.

Радиоволновые анемометры и расходомеры с непосредственным и косвенным восприятием полезной информации можно строить на основе резонаторов [5]. Косвенные измерения с помощью объемных резонаторов основаны на изменении их параметров вследствие деформаций, прогибов его стенок и т.п. Воздействия, вызывающие такие изменения, рассматривались выше применительно к измерениям давлений, усилий и деформаций. Примером может служить расходомер, содержащий вдоль трубопровода два объемных резонатора, воспринимающих статическое давление, по перепаду которого на участке между резонаторами судят о скорости потока и расходе жидкости. Резонансная частота каждого резонатора является функцией статического давления в области его расположения и температуры жидкости. В предпочтительном варианте конструкции (рис. 20.11) каждый из цилиндрических резонаторов 2 располагается вне трубопровода 4 на его поверхности (на рисунке показан только один резонатор, другой резонатор расположен на некотором расстоянии

20.4. Датчики параметров движения

от первого). Общая для резонатора и трубопровода

 

стенка 3 представляет собой гибкую металлическую

 

мембрану. Перемещение мембраны вследствие изме-

 

нения давления вызывает изменение продольного

 

размера полости резонатора и соответствующее это-

 

му изменение его резонансной частоты. Связь резо-

 

наторов со вторичной аппаратурой осуществляется

 

по волноводу 1. Для независимости результатов из-

 

мерения расхода от температуры оба резонатора воз-

 

буждают на двух типах колебаний, которым соответ-

 

ствуют резонансные частоты, имеющие различные

Рис. 20.11. Конструкция

зависимости от параметров жидкости. Это позволяет

с помощью каждого резонатора определять как дав-

объeмнoгo резонатора с

гибкой стенкой

ление, так и температуру. Информация о температу-

 

ре, полученная с обоих резонаторов, может затем

 

быть использована для достижения независимости показаний расходомера от температуры. Такое устройство было применено для измерения расхода жидкого натрия в трубопроводах диаметром ~ 100 мм реактора-размножителя на быстрых нейтронах при температуре ~ 380 °С и скорости потока в пределах 1,8 Χ 6,7 м/с; соответствующее падение давления на участке трубопровода между резонаторами составляло в зависимости от скорости потока ~ 736 Χ Χ 9123 Па. Расстояние между резонаторами ~ 3 м.

Датчики частоты вращения

Важные преимущества СВЧ измерителей частоты вращения заключаются в бесконтактности измерений, отсутствии влияния на контролируемый объект (изделие), возможности получения информации через диэлектрические поверхности, закрывающие контролируемый объект, широком диапазоне измерения, возможности дистанционных измерений и получения информации в процессе обработки изделий. Для получения отраженного от объекта сигнала могут быть использованы различные неоднородности: геометрические (например, асимметрия формы изделия), механические (отверстия, щели, штыри и др.), электрические. Достаточным может оказаться наличие шероховатости поверхности изделия, а для гладкого изделия — наличие пятен краски на его поверхности или какого-либо подходящего диэлектрика для искусственного создания неоднородностей.

Возможно получение информации о вращающемся вале за счет амплитудной и (или) частотной модуляции отраженных волн. Более высокой точностью обладают устройства, в которых учитывается распределение гармонических составляющих в спектре отраженного сигнала. На анализе спектра отраженного сигнала основаны принципы построения ряда СВЧ устройств. Так, известен метод измерения частоты вращения, основанный на измерении интервалов частоты между гармониками спектра отраженного сигнала. Схема устройства, реализующего метод, изображена на рис. 20.12. С СВЧ генератора 1 электромагнитные колебания поступают на передающую антенну 2, которая облучает вращающийся контролируемый объект 3. Отраженные объектом электромагнитные волны воспринимаются приемной антенной 4 и поступают на синхро-

Глава 20. Радиоволновые датчики
нный детектор 5, куда приходят также колебания с генератора 1. Продетектированный сигнал поступает на усилитель низких частот 6 и затем на анализатор гармоник низких частот 7, выделяющий контролируемую часто-
ту, которая регистрируется частотоме-
Рис. 20.12. Схема устройства для изме- ром 8 [5].
рения частоты вращения, в котором Другой подход к измерению на определяется интервал частот между гармониками отраженного сигнала СВЧ частоты вращения основан на
использовании инерциального характера плоскости поляризации электромагнитной волны. Принцип действия устройств такого типа можно пояснить с
помощью простейшей схемы поляризационного СВЧ датчика угловой частоты вращения (гироскопа) [5].

Датчики вибраций

Из известных радиоволновых методов измерения вибраций можно выделить две основные группы: интерференционные и резонаторные. В основе методов первой группы лежит зондирование вибрирующего объекта волнами ВЧ и СВЧ диапазонов, прием и анализ отраженных (рассеянных) объектом волн. Между излучающим устройством и объектом в результате интерференции образуется стоячая волна. Вибрация объекта приводит к амплитудной и фазовой модуляции отраженной волны и к образованию сигнала биений. У выделенного сигнала переменного тока амплитуда пропорциональна амплитуде вибраций, а частота соответствует частоте вибраций. Методы второй группы основаны на размещении объекта в поле ВЧ или СВЧ резонатора (вне или, хотя бы частично, внутри него), при котором под влиянием вибраций изменяются характеристики резонатора.

Устройство, реализующее интерференционный метод измерения, может быть выполнено на основе двойного волноводного Т-образного моста [5], равновесие которого нарушается при перемещении объекта (рис. 20.13). Элек-

 

тромагнитные волны, излучаемые ан-

 

тенной 2 в сторону вибрирующего

 

объекта 1, отражаются от него и при-

 

нимаются этой же антенной. Мост 4

 

первоначально сбалансирован при не-

 

подвижном объекте так, что сигнал на

 

его выходе отсутствует; это достигает-

 

ся путем регулировки переменной на-

 

грузки 8, состоящей обычно из атте-

Рис. 20.13. Схема устройства для изме-

нюатора и подвижного короткозамы-

рения вибраций на двойном Т-образном

кающего поршня. Любое смещение

мосте: 1 — контролируемый объект; 2

объекта вызывает разбаланс моста, ко-

приемо-передающая антенна; 3 — СВЧ

торый можно сделать почти пропор-

генератор; 4 — двойной Т-образный

циональным этому смещению. Таким

мост; 5 — детектор; 6 — усилитель; 7

индикатор; 8 — регулируемая нагрузка

путем удается найти амплитуду и час-

20.4. Датчики параметров движения

тоту вибраций; зная последнюю, путем дифференцирования соответствующего сигнала можно определить виброускорение. Минимальная регистрируемая с помощью усилителя 6 и индикатора 7 амплитуда перемещений (вибраций) составляет 100 нм. Она зависит от шумов генератора 3 и чувствительности детектора 5, от мощности и стабильности генератора, механической стабильности устройства и др.

Резонаторные методы измерения вибраций могут быть реализованы на основе объемных резонаторов и отрезков длинных линий. Достаточно просто реализуются устройства на отрезке длинной линии, у которого нагрузочный элемент (например, конденсатор) расположен на некотором расстоянии от вибрирующего объекта в пределах чувствительности устройства [5].

Датчики ускорения

Ускорения движущихся изделий и механизмов, различных транспортных средств можно определять с помощью доплеровских измерений скорости путем дифференцирования сигнала скорости. Однако такой подход не всегда приемлем, например при импульсных, скачкообразных изменениях положения объекта, а также при очень малых измеряемых ускорениях и их изменениях в процессе измерения, когда тем не менее необходимо иметь высокоточную информацию. Принцип действия радиоволновых устройств, непосредственно предназначенных для косвенного измерения ускорений — акселерометров, — основан на изменении под действием ускорения параметров ВЧ и СВЧ резонаторов. Один из методов измерения ускорений с помощью СВЧ-резонаторов связан с использованием магнитострикционного эффекта в ферритовых стержнях, расположенных в полости резонаторов [5]. Намагниченность ферритового стержня, обладающего выраженными магнитострикционными свойствами, и собственная частота электромагнитных колебаний объемного резонатора изменяются под воздействием измеряемого инерционного усилия, прикладываемого к ферритовому стержню. Чувствительным элементом акселерометра является (рис. 20.14) металлический цилиндрический поршень 4, жестко связанный с ферритовым стержнем 1 и располагаемый в полости объемного резонатора 5 над стержнем. Ввод в резонатор возбуждающих его электромагнитных колебаний осуществляется с помощью петли связи 6 через разъем 7, вывод электромагнитной энергии с помощью петли связи 3 производится через разъем 2. С помощью петли связи 6 в резонаторе возбуждаются колебания типа Е110, частота которых не зависит от высоты полости резонатора 5 и поршня 4,

а

управляется

степенью

намагниченности

 

ферритового стержня 1. Внутри резонатора с

 

помощью внешнего магнита создается посто-

 

янное магнитное поле. Собственная частота

 

колебаний резонатора составляет 7 Χ 10 ГГц.

 

Девиация f резонансной частоты (частотный

 

выходной сигнал акселерометра), соответст-

 

вующая воздействию ускорения 1 g, составля-

 

ет примерно 15 МГц. Линейная часть ха-

 

рактеристики

преобразования акселеромет-

Рис. 20.14. Схема объемного ре-

ра

соответствует девиации

частоты, равной

зонатора с ферритовым стержнем

Глава 20. Радиоволновые датчики

400 кГц. Корпус резонатора 5 выполнен из латуни в виде цилиндра высотой 54,8 мм и диаметром 19,6 мм, длина ферритового стержня составляет 34,96 мм, диаметр 6,35 мм. В данном акселерометре ферритовый стержень 1 является одновременно функциональным элементом датчика и упругим элементом системы подвеса ЧЭ (поршня). Для построения акселерометров на основе деформируемых СВЧ-резонаторов могут быть применены также и другие конструкции, рассмотренные ранее.

20.5.Датчики физических свойств материалов и изделий

Зависимость различных параметров радиоволновых датчиков от электромагнитных параметров контролируемых объектов позволяет получить информацию об их физических свойствах. Несмотря на принципиальную общность подходов к решению задач измерения таких величин, как влажность, плотность, концентрация, сплошность и др., специфика контролируемых материалов и изделий и условий приводит зачастую к различию в применяемых методах и средствах измерений. Радиоволновые методы, в силу специфики диапазонов используемых частот электромагнитных волн и применяемых в этих диапазонах электромагнитных систем, позволяют успешно решать многие такие задачи.

Датчики влажности

Влажность материалов и веществ относится к числу параметров, для измерения которых радиоволновые датчики получили наибольшее развитие и практическое применение благодаря высокой чувствительности радиоволновых влагомеров в диапазонах высоких и сверхвысоких частот, возможности достижения высокой точности бесконтактных измерений и интегральной оценки влажности по объему контролируемого вещества. Вопросы теории и применения данных влагомеров изложены во многих научных работах, патентах и монографиях [1, 2, 8, 9, 16]. Физические процессы во влажных материалах подробно освещены в упомянутых работах.

Возможность применения радиоволновых датчиков для влагометрии основана на отличии комплексной диэлектрической проницаемости воды и содержащих ее веществ. При измерении влажности вещества в свободном пространстве полезную информацию могут нести параметры отраженной от вещества или прошедшей через его слой волны. Широко pacпространены методы измерения по поглощению электромагнитной энергии во влажном веществе по схемам «на отражение» или «на прохождение». Кроме этих методов возможны также фазовые методы, основанные на измерении фазового сдвига волны при ее взаимодействии с влажным веществом. Известны и другие методы измерения в свободном пространстве, например, по изменению поляризации волны при отражении от влажного материала или прохождении через его слой, по изменению угла Брюстера при наклонном зондировании слоя материала и др. Разработаны многочисленные конструкции ВЧ и СВЧ влагомеров резонаторного и волноводного типов, в которых в зависимости от влажности вещества изменяются колебательные характеристики (собственная частота и

20.5. Датчики физических свойств материалов и изделий

добротность) резонатора, характеристики распространения волны по направляющей системе (амплитуда, фаза, коэффициент отражения и др.). Радиоволновые влагомеры применимы для контроля жидкостей, газов, сыпучих и твердых материалов (пластин, листов, пленок и др.).

При измерении технологических параметров на получаемые результаты оказывают влияние неинформативные параметры — изменение температуры, плотности вещества и др., следствием которого является существенное снижение точности. Поэтому весьма важна разработка методов и средств влагометрии, обеспечивающих инвариантность результатов измерений к возмущающим факторам.

Рассмотрим принципы построения СВЧ влагомеров, позволяющие минимизировать влияние плотности и толщины слоя контролируемого материала при одновременных измерениях амплитуды А и сдвига фазы ц волны после ее прохождения через слой материала [4,5]. Эти характеристики прошедшей волны зависят от толщины слоя, от диэлектрической проницаемости е влажного вещества. Величина е является функцией влагосодержания W, плотности с и других физических свойств вещества.

Влагосодержание, определяемое как отношение массы воды Мв к массе Мв + М0 образца исследуемого вещества (M0 — масса обезвоженного образца), может быть записано в следующем виде:

W

M в

 

M в / V0

 

mв

,

M в M 0

M в / V0 M 0 / V0

mв m0

 

 

 

 

где V0 — объем влажного образца, mв = Mв/V0, m0 = M0/V0.

В общем случае измеряемые величины есть A F1(mв , m0 ); F2 (mв , m0 ). Аналитические выражения для конкретных веществ могут зависеть от сложности формул, описывающих электрофизические параметры влажного вещества. В простейшем случае, предполагая, что влажное вещество является однородным и что параметры А (децибелы) и ц (градусы) линейно связаны с массами тв и т0 (случай, часто имеющий место на практике), можно записать: A (amв m0 )h;(cmв dm0 )h, где h — толщина слоя контролируемого вещества, числовые коэффициенты а, b, с и d соответствуют конкретным веществам с определенными физическими свойствами. Коэффициенты можно записать для объема 1 см3, так как величины тв и т0 также характеризуют единичный объем. С учетом этих выражений будем иметь: W (dA b ) / [(b a) (c d)A]. Отсюда следует, что найденное влагосодержание не зависит от толщины слоя вещества. Коэффициенты а, b, с и d можно определить в процессе градуирования влагомера для конкретного вещества.

Одновременно измерять на СВЧ затухание и фазовый сдвиг волны можно с помощью гомодинной двухканальной системы по методу «модулированной поднесущей частоты» [5]. Для измерения затухания амплитуды A можно использовать прямое или уравновешенное (с помощью образцового аттенюатора) преобразование. Для измерения сдвига фазы ц, выполняемого по методу сравнения, необходим образцовый фазовращатель. Данный метод поясняется рис. 20.15. Колебания частотой Щ от СВЧ генератора 1 поступают в два канала 3 и 12. Сигнал в канале 3 модулируется частотой щ и после прохождения через слой влажного вещества смешивается со смодулированным сиг-

Глава 20. Радиоволновые датчики

Рис. 20.15. К объяснению измерения влажности по методу «модулированной поднесущей»: 1 — CBЧ генератор; 3 и 12 — каналы, 4 — генератор колебаний частоты щ; 5 — модулятор; 6 — фазовращатель; 7 — передающая антенна; 8 — слой контролируемого вещества; 9 — приемная антенна; 10 — детектор: 2, 11 — двойные Т-образ- ные мосты; 13 — индикатор.

налом канала 12 на детекторе. Амплитуда выходного сигнала с частотой щ детектора является функцией фазового сдвига между немодулированной несущей и модулированной несущей («поднесущей») частотами.

Наличие влаги в веществе отражается на значениях как действительной е9, так и мнимой е99 частей его диэлектрической проницаемости е = е9 ­ е99. В общем случае выразить е в функции влагосодержания W и плотности с сухого вещества не удается. Анализ многочисленных измерений влажности малоплотных и сжимаемых органических веществ, например, шерсти, табака, зерна, хлопка и т.п., приводит к выводу, что в СВЧ-диапазоне функции е9(W, с) — 1 и е99(W, с) являются линейными функциями с в определенных, иногда достаточно широких диапазонах ее изменения. При более высоких значениях с и W эти зависимости несколько отклоняются от линейных, но на практике функция практически не зависит от с и является функцией только W. Это характерно для многих веществ в достаточно широких диапазонах изменения с. Параметр A(W) можно определить, поместив образец в полость резонатора, что особенно удобно для образцов малых размеров. Тогда,

с учетом связи е9 и е99 с собственной частотой f и добротностью Q резонатора, находим A(W ) ( 9 1) / 99 [2( f 2 f1 ) / f 2 ] / (1 / Q1 1 / Q2 ). Индексы

«1» и «2» соответствуют отсутствию и наличию образца в полости резонатора. В описанной в [5] схеме использован сдвоенный СВЧ генератор на двух диодах Ганна, каждый из которых размещен в запредельном волноводе. Фактически частоты генератора определяются собственными частотами двух соседних типов колебаний Н011 и Е012 цилиндрического резонатора. Значения этих частот выбраны около 11,5 ГГц. Погрешность измерения во всем диапазоне изменения плотности хлопка не превысила ± 0,1%.

При определении влагосодержания нефтепродуктов заслуживает внимания способ его измерения по разности поглощений волн миллиметрового диапазона в контролируемой нефти и эталоне. Длина зондирующей волны выбирается в диапазоне 1,5 Χ 2,5 мм [5]. Как показывают эксперименты, погрешность измерения, связанная с изменением сортности нефтепродукта, минимальна, что позволяет определять влагосодержание товарной нефти без коррекции на ее сортность и температуру.

Датчики физических свойств вещества в потоке

Во многих технологических процессах, связанных с перемещением однородных и нeоднopодных веществ по трубопроводам, требуется осуществлять изме-

20.5. Датчики физических свойств материалов и изделий

рение, контроль и регулирование их физических свойств. В случае однородного вещества информативным параметром может быть его плотность, а для неоднородного вещества с двумя и более компонентами — содержание (концентрация) какого-либо компонента (или нескольких компонентов), средняя плотность, сплошность газо-жидкостного потока, влажность и др. Задача измерения свойств неоднородных веществ часто сопровождается требованием инвариантности к распределению компонентов вещества на измерительном участке трубопровода и независимости результатов измерения от изменения неинформативных параметров в процессе измерения, например, от изменения температуры, от свойств (сортности) жидкости при измерении влажности или сплошности.

Равномерное распределение вещества. Рассмотрим радиоволновые датчики, позволяющие определять физические свойства однокомпонентного вещества (его плотность) и двухкомпонентного вещества с равномерным распределением компонентов по объему измерительного участка трубопровода. В последнем случае измеряемыми параметрами могут являться влажность, сплошность газо-жидкостного потока с равномерным распределением, соответственно, воды и газа в контролируемой жидкости; концентрация частиц сыпучего вещества в трубопроводе при их равномерном распределении и др.

В простейших устройствах с антенными датчиками, работающими по схемам «на прохождение» или «на отражение», к металлическому трубопроводу на его измерительном участке подсоединяются по нормали к стенкам, соответственно, передающая и приемная или приемо-передающая антенны, например рупорные антенны или открытые торцы волноводов. Большую область взаимодействия с контролируемым веществом в потоке и, следовательно, большую чувствительность обеспечивают волноводные датчики. В таком датчике на основе полого металлического волновода, включенного последовательно в трубопровод и имеющего внутренний диаметр, равный диаметру трубопровода, возбуждение электромагнитных волн и их съем осуществляют в разных сечениях вдоль волновода [5].

Волноводные датчики физических свойств вещества в потоке могут быть реализованы также на основе длинных линий [4,5]. На измерительном участке металлического трубопровода в него соосно вводится (через изолятор) металлический стержень, образующий с трубопроводом коаксиальную длинную линию. В качестве информативных параметров используются фаза, амплитуда отраженной волны и коэффициент стоячей волны. Рабочая частота лежит в диапазоне до 1 ГГц. Такие датчики имеют простую конструкцию и применяются для измерения малых влагосодержаний нефти в потоке.

Для измерений в диэлектрических трубопроводах применяют датчики на основе полосковых линий [5]. Большие точность и чувствительность обеспечивают резонаторные методы измерений свойств веществ в потоках. Как и в случае волноводных методов, достаточно просто реализуются схемы, в которых диэлектрические трубопроводы с контролируемыми веществами пропускаются через сквозные отверстия в стенках полостей объемных резонаторов. Двухканальное СВЧ устройство, описанное в [5], предназначено для измерения концентрации включений в жидкости, протекающей по трубопроводу, в частности, ее влагосодержания, а также содержания каких-либо взвешенных частиц в жидкости, нефти в воде и др. Это устройство (рис. 20.16) содержит два объ-