литература / Sharapov_V._Datchiki

Глава 20. Радиоволновые датчики

мерам. Для создания одинаковых температурных условий резонаторы могут быть изготовлены в едином блоке, например, алюминиевом. Коэффициент связи между резонаторами 3 и 5 определяется размерами отверстий связи 4 и 10, от которых зависит чувствительность устройства. Эти резонансные частоты зависят от диэлектрических параметров веществ, находящихся в трубках 6 и 11. Выделенные с помощью элементов связи 7 и 13 электромагнитные колебания подаются на смеситель 14. Если контролируемое вещество имеет те же свойства, что и эталонное (например, в обеих трубках — чистая вода), на выходе смесителя частотный сигнал равен нулю. Если же в контролируемом веществе присутствуют включения (примеси в воде), то резонансные частоты полостей 5 и 12 отличны друг от друга и на выходе смесителя имеется отличный от нуля частотный сдвиг, регистрируемый частотомером 15.

Известно применение открытого предельного резонатора для измерения сплошности потоков органических теплоносителей, используемых для охлаждения ядерных реакторов [5]. Условия работы датчика характеризуются высокими температурой (400 °С) и давлением внутри трубопровода (примерно 3·106 Па). Цилиндрический резонатор образован полостью и двумя подсоединенными к ней запредельными на рабочих частотах волноводами. Эти волноводы включены последовательно в трубопровод и имеют идентичные с ним форму и внутренний диаметр.

Аналогичный датчик применялся для измерения малых влагосодержаний жидких и сыпучих веществ в потоке [5]. В этом случае в полость резонатора помещали соосно с ней диэлектрическую трубу той же длины (рис. 20.17). Внутренний диаметр этой трубы равен внутреннему диаметру d запредельных волноводов, так что отсутствует какое-либо нарушение структуры потока. С учетом трубы в полости резонатора зависимость его резонансной частоты f

ющей проницаемость еt и полностью заполняющей объем полости; А — коэффициент, зависящий от типа колебаний в полости, ее размеров, соотношения d/D и величин е и еt. В ограниченном диапазоне еt коэффициент А можно счи-

20.6. Контроль и измерение параметров некоторых объектов и процессов

редающую антенну 2 и излучаются ею в сторону приемной антенны 4, принятые волны поступают на приемник (детектор) 5 и далее на индикатор 6. При прохождении объектом 3 контролируемой зоны изменяется принимаемый сигнал, что и фиксируется индикатором. В зависимости от электрофизических свойств объекта и его размеров сигнал может прерываться (в случае металлического объекта), может изменяться его амплитуда или мощность (в случае диэлектрического объекта, а также металлического объекта малых размеров вследствие дифракции на нем электромагнитной волны). При контроле изделий на конвейере антенны 2 и 4 могут быть расположены, например, по обе стороны от него.

Схема, изображенная на рис. 20.19, б, иллюстрирует регистрацию наличия и (или) подсчет числа объектов с помощью отраженных волн. Электромагнитные волны, поступающие с генератора 1 на приемо-передающую антенну 3, проходят через ферритовый циркулятор 2. Возникающие при наличии объекта 5 в контролируемой области отраженные волны через этот циркулятор приходят на приемник (детектор) 7 и затем на индикатор 8. Такая схема может быть применена при контроле объектов на конвейере 4, например, для регистрации прохождения металлических изделий на прокатном стане [5]. Для обеспечения получения информации должно быть предусмотрено радиопрозрачное окно 6; при превышении выходным сигналом приемника некоторого регулируемого порога срабатывания индикатор регистрирует прохождение изделия. Имеется много примеров практического применения таких измерительных схем: определение положения изделий на прокатных станах, определение положения кромки листа трубной заготовки в процессе прокатки труб и др. Отметим, что контроль изделий в металлургии производится в тяжелых эксплуатационных условиях, что, однако, не препятствует получению информации и достижению высокой точности контроля и измерения радиоволновыми методами.

В ряде случаев необходимо определять наличие объектов и производить их идентификацию, когда они находятся в других средах, например, зарыты в землю или погружены в жидкость. Применяемые для этой цели методы подповерхностной радиолокации получили развитие в геологии, горном деле и других областях. Примером может служить поиск находящихся под землей водопроводных и канализационных труб (металлических и диэлектрических) и их распознавание [5].

Возможно применение объемных резонаторов для счета объектов и определения их свойств. Так, для бесконтактного определения числа капель жидкости известно использование полого СВЧ резонатора с отверстием, работающего в «проходном» режиме. При попадании капли в полость изменяется резонансная частота, что позволяет производить счет и сортировать капли в соответствии с их размерами. Подобные задачи часто встречаются в химической промышленности, фармакологии (автоматическая дозиметрия) и в метеорологии (быстродействующие дождемеры) [5].

Для идентификации какого-либо объекта необходимо, чтобы он имел определенные, присущие только ему, свойства. Полезную информацию могут нести характеристики (амплитуда, фаза, поляризация, частота) отраженных непрерывных или импульсных сигналов. В ряде случаев идентификация осуществляется с помощью специальных маркировочных элементов, располагаемых

Глава 20. Радиоволновые датчики

на объектах. Например, для идентификации железнодорожных вагонов автоматически считываются их номера [5].

Радиочастотная идентификация. Радиочастотная идентификация (RFID — Radio-Frequency-IDentification) — технология, позволяющая осуществлять бесконтактную идентификацию объектов с использованием радиочастот [22]. RFID-технология основана на возможности присвоить специальному передат- чику-приемнику, наносимому на объект, уникальный номер. Эта информация может быть считана, на метку могут быть многократно нанесены новые данные. RFID широко используется в логистике, в розничной торговле, в системах аутентификации персонала. Во всех этих случаях RFID связывает некоторый объект (например, товар на складе) с цифровыми атрибутами (например, описание товара, его стоимость, дата и порядок отгрузки). В этом смысле технология RFID похожа по функциям на штрих-кодирование, но обладает существенными преимуществами в эксплуатации и позволяет использовать более сложные, криптографически защищенные протоколы.

Применения RFID. RFID-технологии применяются в самых разнообразных сферах человеческой деятельности: промышленность, транспортная и складская логистика, медицина — мониторинг состояния пациентов, наблюдение за перемещением по зданию больницы, библиотеки — станции автоматической книговыдачи, быстрая инвентаризация, паспорта, транспортные платежи, дистанционное управление, опознавание животных, сельское хозяйство, человеческие имплантанты.

Частоты и стандарты. Сегодня RFID-системы используют четыре частотных диапазона: 125—150 кГц, 13,56 МГц, 862—950 МГц и 2,4—5 ГГц. Это те частоты, для которых в большинстве стран разрешено вести коммерческие разработки. Для примера отметим, что диапазон 2,45 ГГц — это частоты, на которых работают беспроводные устройства стандарта Bluetooth и Wi-Fi. Для каждого из упомянутых частотных диапазонов действуют свои стандарты со своей степенью проработки.

RFID-метки. Хранение информации обеспечивает RFID-метка, иначе называемая транспондер (рис. 20.20). Она содержит индивидуальный для данного объекта код и пользовательскую информацию объемом до 4096 бит. Данные могут наноситься на метку либо производителем транспондера — единожды, либо пользователем — единожды или многократно в зависимости от типа метки. Информацию на транспондере можно дополнять, например, новыми данными о пройденных производственных этапах. Существует несколько способов систематизации RFID-меток и систем: по рабочей частоте; по

источнику питания; по типу памяти. По типу Рис. 20.20. RFID-метка источника питания RFID-метки делятся на

пассивные, активные и полупассивные. Считыватели. Считывание и передача информации осуществляются авто-

матически посредством комплекса «антенна + ридер», а также вручную, с по-

20.6. Контроль и измерение параметров некоторых объектов и процессов

мощью терминалов сбора данных, поддерживающих технологию RFID. Стационарные считыватели крепятся неподвижно на стенах, дверях, движущихся складских устройствах (штабеляторах, погрузчиках). По сравнению с переносными, считыватели такого типа обычно обладают большей зоной чтения и мощностью и способны одновременно обрабатывать данные с нескольких десятков меток. Принтеры, поддерживающие технологию RFID, позволяют перевести информацию с RFID-метки в формат штрих-кода. При этом данные о выполненных операциях принтер отправляет в учетную систему.

Диагностика двигателей внутреннего сгорания

Одним из интересных и эффективных применений радиоволновых методов является контроль процессов в камерах сгорания двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Эффективность работы ДВС зависит, в основном, от синхронизации зажигания, содержания топлива в камере и скорости поршня при заданной нагрузке. Измерение необходимых для регулирования ДВС параметров требует применения многочисленных датчиков, которые должны быть взаимосвязаны. В противоположность этому, измерение резонансной частоты и добротности рабочей камеры ДВС, рассматриваемой в качестве объемного резонатора, имеющего при движении поршня переменный объем, позволяет определять многие интересующие параметры на основании анализа одного аналогового сигнала. Анализ резонансных импульсов позволяет определить положение нижней и верхней мертвых точек, направление движения поршня, скорость перемещения поршня, электрическую проводимость газов в рабочей камере, изменение размеров камеры, идентифицировать рабочий такт, синхронизировать зажигание и др. [5]. Имеется также возможность определять и регулировать состав топливных смесей, отработанных газов, контролировать и регулировать температуру и давление в камере. Это создает предпосылки и для рационального конструирования камер сгорания, трубопроводов и охлаждающих систем.

Электромагнитная энергия вводится в полость камеры сгорания через свечу зажигания. При этом не нарушаются процессы, связанные с работой ДВС, и не вносятся какие-либо изменения в его конструкцию. Искровой промежуток свечи зажигания, будучи согласованным, образует подходящий элемент возбуждения электромагнитных колебаний в камере сгорания и их съема, являясь по своей форме петлей связи. Были также разработаны различные специальные устройства для возбуждения и съема колебаний. В соответствии с реальными размерами камер сгорания используется обычно сантиметровый диапазон длин волн, на которых имеют место наблюдаемые резонансные импульсы. Находит применение и миллиметровый диапазон (в случае форкамерных ДВС), сопровождаемый функциональной обработкой сигналов сложной формы, имеющих место в данном случае.

На рис. 20.21 изображена упрощенная схема одного из устройств диагностики ДВС. Электромагнитные колебания от СВЧ генератора 1 поступают через коаксиально-волноводный переход 2 в волновод 3 и далее в коаксиальную линию 4, внутренний проводник которой служит для подачи электрических импульсов на свечу зажигания 5 от распределителя зажигания 10. В верхней части линия 4 заполнена диэлектриком, служащим для изоляции измеритель-

Глава 20. Радиоволновые датчики

ной цепи от высоковольтной цепи зажигания. Через свечу 5 электромагнитная энергия поступает в полость цилиндра 7. Размеры этой полости изменяются при движении поршня 8. Регистрация возбуждаемых при этом колебаний на собственных частотах полости 6 производится с помощью детектора 9. Далее сигналы поступают на усилитель 11 и осциллограф 12. Известны различные способы контроля синхронизации зажигания по измерению положения верхней мертвой точки, связанные с регистрацией резонансных

Рис. 20.21. Схема устройства импульсов при движении поршня в одном из ци- для СВЧ диагностики ДВС линдров. Рассмотренные методы можно приме-

нять для диагностики ДВС различных типов, имеющих разные конструкции камер сгорания.

Обнаружение и локализация утечек в трубопроводах

При эксплуатации магистральных трубопроводов, служащих для перекачки нефтепродуктов и других веществ, важное место занимает контроль возможных утечек в трубопроводах вследствие нарушения их герметичности. Важной является и задача контроля состояния коммуникаций различных гидравлических систем коммунального хозяйства.

Известные радиоволновые устройства для контроля утечек в трубопроводах основаны на зондировании линии передачи электромагнитной энергии, расположенной под контролируемым трубопроводом, импульсными и непрерывными сигналами. Поверхность такой линии, обращенная к трубопроводу, выполняют таким образом, что при попадании на нее вытекающей жидкости изменяются локальные характеристики отрезка линии (его волновое сопротивление). Возможны, например, следующие реализации линий передачи такого типа: коаксиальная линия с неплотной (сетчатой) оплеткой металлического внешнего проводника линии, заполненной диэлектриком; двухпроводная линия, заключенная в диэлектрическую оболочку; волновод, имеющий обращенную к трубопроводу продольную щель, закрытую герметично диэлектриком. Задача определения наличия, локализации утечек и их масштабов сводится, таким образом, к определению положения и размера неоднородностей в линии передачи. Одна из измерительных схем [5] приведена на рис. 20.22. В теплоизоляции вдоль трубопровода 1 проложена коаксиальная длинная линия 2 (показана пунктиром), чувствительная к наличию утечки жидкости из трубопровода и состоящая из диэлектрика, внутреннего проводника, внешнего сетчатого проводника (оплетки). Точки a, b, i, k вдоль линии расположены друг от друга на расстояниях, кратных половине длины волны л генератора. Для локализации области утечки коаксиальная линия возбуждается высокочастотными колебаниями от импульсного генератора 6, который с помощью коммутатора 5 подключается к линии в точке а, соответствующей началу контролируемого участка трубопровода. Коммутатор 5 подключает поочередно к контролируемым точкам b, i, k регистрирующий прибор 7, настроенный на номинальное значение контролируемого параметра, которым может являться,

20.6. Контроль и измерение параметров некоторых объектов и процессов

Рис. 20.22. Устройство для определения наличия и локализации утечек в трубопроводе: 1 — трубопровод; 2 — коаксиальная длинная линия; 3 — согласующие элементы; 4 — линии связи; 5 — коммутатор; 6 — импульсный генератор; 7 — регистратор

например, входное сопротивление Zвх отрезка линии. Отрезок линии в указанных точках контроля в отсутствие внешних возмущений обладает одинаковыми свойствами. Если фиксируется номинальное значение параметра Zвх, равное, при наличии согласованности, волновому сопротивлению на каждом из последовательно подключаемых участков линии, кратных по длине л/2, то это свидетельствует об отсутствии утечки жидкости из трубопровода.

Если же на каком-либо участке трубопровода имеется утечка, то истекающая жидкость воздействует на расположенный рядом участок коаксиальной линии. В результате изменяется диэлектрическая проницаемость линии на данном участке, т.е. ее волновое сопротивление, и регистрирующий прибор зафиксирует отклонение информативного параметра от его номинального значения. Оператор получит информацию о наличии утечки на конкретном участке трубопровода, длина которого равна целому числу Nл/2 полуволн, где N = 1, 2, 3,..., а длину волны л выбирают с учетом конкретных требований и возможностей. Длина участка может колебаться от единиц до тысяч метров. По значению регистрируемого информативного сигнала можно судить о степени утечки.

Измерение температуры

Радиоволновые методы позволяют измерять температуру технологических объектов. Наибольшее распространение получили радиометрические приборы [5]. Дистанционную или контактную пассивную радиолокацию позволяют осуществлять СВЧ радиометры. Успешно могут быть применены СВЧ радиометры, когда объект находится за какой-либо преградой, например, твердой стенкой, прозрачной для электромагнитных волн (из керамики или других изолирующих материалов). Они позволяют определять температуру и ее распределение внутри ядерных реакторов, в установках металлургического, химического производства и др. В [5] рассмотрен СВЧ радиометр, предназначенный для контроля температуры обрабатываемого в печи сырья, его количества, расположения или формы. Примерами подобных печей являются, например, печь для обжига цемента содовый котел (он представляет собой печь, используемую, в частности, в цел-

Глава 20. Радиоволновые датчики

люлозно-бумажной промышленности, куда подается применяемая в процессе производства щелочь или какой-либо раствор).

Другой подход к измерению температуры объектов связан с их активным зондированием с помощью антенных устройств, резонаторов и линий передачи электромагнитной энергии. Для получения информации используется зависимость электрофизических параметров объектов от их температуры. Так, задача измерения температуры, количества содержимого и его распределения внутри вращающейся печи для обжига цемента может быть решена, если рассматривать полость печи как полый волновод. С изменением температуры изменяются диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь цемента. Поскольку цилиндрическая стальная печь, покрытая изнутри слоем футеровки, имеет диаметр 4 м, то ее возбуждение можно осуществить на частотах выше 45 МГц. Наклон печи по отношению к горизонтали составляет около 4°, так что для повышения температуры топливо (газ, нефтепродукты, угольный порошок) подается через нижний торец печи, а исходный материал поступает через ее верхний торец. Возбуждение волновода — печи — осуществляется в области нижнего торца. Возбуждающий элемент (передающая антенна) должен иметь термостойкую конструкцию. Элемент съема (приемная антенна) расположен у противоположного торца печи и вращается вместе с ней. Один из вариантов реализации антенны изображен на рис. 20.23. При любом положении печи передающая антенна 3 расположена в ее центре перпендикулярно

ющего контур печи. Информативными параметрами могут служить амплитуда, длина волны и фаза принимаемых колебаний. Возможно использование также одного элемента для возбуждения и съема колебаний и измерение его входного импеданса.

Отметим также возможность измерения температуры объекта путем контакта с ним ЧЭ, в результате которого изменяются параметры ЧЭ, зависящие от температуры. В результате изменяются информативные параметры, позволяющие определить температуру объекта. Съем сигнала ЧЭ может быть осу-

20.6. Контроль и измерение параметров некоторых объектов и процессов

ществлен как с помощью линии связи, так и бесконтактным способом. В устройстве такого типа для измерения температуры вращающихся объектов в качестве ЧЭ служит объемный СВЧ-резонатор, изготовленный из материала с большим коэффициентом теплового расширения, например, алюминия [5]. Резонатор размещен на контролируемом объекте. При изменении температуры объекта и резонатора изменяются линейные размеры последнего и, следовательно, резонансная частота, по изменению которой возможно определять температуру. Устройство может быть применено для измерения температуры роторов генераторов, якорей тяговых двигателей и др.

Контроль в аэропортах

Необходимость в системах обнаружения взрывчатых веществ (ВВ) есть у аэропортов, правительственных зданий, таможен, мест скопления людей, спортивных арен, почтовых офисов и школ — все они являются потенциальными объектами, где новые технологии могут быть использованы для повышения безопасности. Улучшенные технологии детектирования оружия критически необходимы, чтобы противостоять угрозе терроризма.

Разработаны автоматические системы обнаружения оружия, взрывчатых, а также наркотических веществ, использующих собственные радиометрические излучения различных покровов и средств. Характеристики собственного излучения различных покровов и средств естественного и искусственного происхождения, в том числе и живых объектов, существенно зависят от их электрофизических параметров, а также условий наблюдения (диапазона частот, поляризации, углов наблюдения). Одной из задач, потенциально решаемых с помощью радиотепловых методов в диапазоне миллиметровых волн, является задача регистрации неоднородностей радиотеплового излучения тела человека, с целью выявления инородных предметов, находящихся (скрытых) на теле человека под одеждой. При этом сама одежда в миллиметровом диапазоне выступает в качестве прозрачного слоя с малым коэффициентом поглощения, что потенциально позволяет обнаруживать инородные предметы, невидимые другими средствами диагностики, например, датчиками оптического или инфракрасного диапазонов волн.

Для оснащения контрольно-пропускных пунктов предприятий и организаций для бесконтактного досмотра посетителей (пассажиров) и персонала с целью предотвращения проноса опасных веществ, предметов и изделий из любых материалов размером от 2—3 мм во многих аэропортах используется радиолокационный сканирующий портал SafeScout производства компании L3 — SafeView (США). Технология сканирования портала SafeScout основана на радиоволновом голографировании и обеспечивает обнаружение скрытых на теле человека предметов из металла, дерева, керамики, пластмассы и других материалов. Аппарат излучает миллиметровые волны, которые, не проникая через кожу человека, отражаются от него при весьма низких уровнях мощности и безвредны для здоровья. В портал вмонтированы два вертикальных массива сканеров-излучателей волн переменной длины. Вся собранная информация незамедлительно оцифровывается и пересылается в быстродействующий операторский компьютер. Установленная программа-анализатор трехмерных голографических образов с высоким разрешением формирует на дисплее схе-