МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до виконання лабораторних робіт

«Мікрохвильові вимірювачі технологічних параметрів» з дисципліни«Технічні засоби автоматизації» для студентів напряму 6.050202

Затверджено

на засіданні Вченої ради

академії

Протокол № ­­­15 від 27.12.2010

Дніпропетровськ НМетАУ 2011

УДК 620.1.08

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт «Мікрохвильові вимірювачі технологічних параметрів» з дисципліни «Технічні засоби автоматизації» для студентів напряму 6.050202 / В.І. Головко, О.М. Кукушкін, М.В. Михайловський та ін. - Дніпропетровськ: НМетАУ, 2011. - 37 с.

Містять відомості про принцип роботи радіолокатора ближньої дії, його конструкції і області застосування. На підставі реального досвіду описані особливості застосування радіолокатора у виробничих умовах. Лабораторний практикум складається з чотирьох робіт з освоєння принципів вимірювання відстані до статичних та рухомих об'єктів, а також визначення ступеня поглинання і віддзеркалення радіохвиль різними матеріалами.

Призначені для студентів напряму 6.050202 – автоматизація та комп’ютерно інтегровані технології.

Видається в авторській редакції

Укладачі: В.І. Головко, д-р техн. наук, проф.

О.М. Кукушкін, д-р техн. наук, проф.

М.В. Михайловський, канд.техн.наук, доц.

А.О. Верховська, канд.техн.наук, доц. Ю.П. Лукашевич, аспірант

Відповідальний за випуск О.П. Єгоров, канд. техн. наук, доц.

       

Рецензент В.Н. Куваєв, д-р техн. наук, проф. (НГУ)

Підписано до друку 06.12.2011. Формат 60х84 1/16. Папір друк. Друк плоский.

Облік.-вид. арк. 2,17. Умов. друк. арк. 2,15. Тираж 100 пр. Замовлення № 209.

Національна металургійна академія України

49600, М. Дніпропетровськ-5, пр. Гагаріна, 4

_______________________________

Редакційно-видавничий відділ нМетАу

Зміст

Вступ 4

1 Радіолокаційні принципи вимірювання відстані 5

2 Конструкція та технічна характеристика радіорівнеміра РДУ-Х2 8

3 Застосування РДУ для вимірювання в технологічних параметрі 11

4 Обробка цифрового сигналу РДУ-Х2 16

4.1 Обробка амплітудно-частотного спектра радіосигналу 16

4.2 Візуалізація радіосигналу і його спектра 19

Лабораторна робота № 1 визначення метрологічних характеристик радіолокаційні датчики рівня 22

Лабораторна робота № 2 радіолокаційні сканування профілю поверхні матеріалу 28

Лабораторна робота № 3 визначення точності вимірювань радіолокатор при вібрації мети 31

Лабораторна робота № 4 визначення радіофізичних характеристик об'єктів 33

Література 37

Вступ

В останні роки все більшого поширення набувають різного роду мікрохвильові (МКХ) вимірники відстані. Застосування радіолокаторів (радарів) в різних галузях промисловості істотно поліпшує контроль технологічних процесів і рівень їх автоматизації, позволяє вирішити принципово нові завдання АСУ ТП [1].

Перевага МКХ вимірників полягає в безконтактності, швидкодії, можливості дистанційного керування параметрами радіохвилі. Важливим фактором є висока чутливість при зондуванні різних матеріалів: провідників і діелектриків, діамагнетиків, парамагнетиків і феромагнетиків в широкому діапазоні величини кусковатості матеріалів, вологості, температури і дальності [2].

Електромагнітні хвилі надвисокочастотного (НВЧ) діапазону (1....100 ГГц) займають проміжне положення між ультракороткими радіохвилями та інфрачервоним (тепловим) випромінюванням. Для вивчення явищ НДЧ локації можна використовувати оптичні аналоги відповідних методів, основною перевагою яких є порівняльна простота і достовірність. Явища поглинання, відбиття, заломлення, поляризації, інтерференції, дифракції радіохвиль на частотах НДЧ діапазону підкоряються всім законам фізичної оптики [3].

Істотною перевагою радарів є відсутність рухомих вузлів, відносна простота конструкції і можливість пасивної трансляції зондувальних сигналів у важкодоступні по технологічним і експлуатаційним умовам зони металургійних судин і реакторів зі зміною напрямку і фокусування електромагнітної хвилі [4,5].

МКХ - методи забезпечують універсальними можливості для створення безконтактних вимірювачів різного призначення. На їх основі може бути створено нове покоління ефективних засобів вимірювальної техніки, що забезпечить значний крок вперед у розвитку АСУ ТП як в металургії, так і в інших галузях: у енергетиці, на транспорті, в хімічній і харчовій промисловості, в сільському господарстві [6].

У роботі використистані матеріали магістерських робіт Панюшкіна Д.В. і Христьяна Р.І.

1 Радіолокаційні принципи вимірювання відстані

Однією з умов ефективності ближньої радіолокації є формування гостронаправленного електромагнітного випромінювання енергії [6]. У діапазоні надвисоких частот це завдання вирішується застосуванням рупорних, параболічних, лінзових або стрижневих антен. Найбільш часто використовуються рупорні антени, які є хвилеводами з розширенням на відкритому, випромінюючому енергію кінці, приєднуючись іншим кінцем до отвору прямокутного хвилеводного тракту всередині сенсорного блоку. Конструкція такого рупора дозволяє формувати в його апертурі (вихідному отворі) плоску електромагнітну хвилю. Причому, чим більше розмір апертури, тим більше вузький пучок енергії можна сфокусувати, багаторазово збільшивши коефіцієнт посилення антени.

Найважливішою кількісної характеристикою, що визначає здатність концентрувати енергію в заданому напрямку, є ширина діаграми спрямованості антени, тобто просторовий кут, при відхиленні на який інтенсивність випромінювання падає вдвічі [6].

У якості зондувальних сигналів у ближній радіолокації використовуються радіохвилі надвисокочастотного (НВЧ) діапазону 10 ... 50 ГГц, що випромінюються безперервно. Відповідна довжина радіохвилі (6 ... 30 мм) значно більше розмірів пилових частинок, що забезпечує мінімальні розсіювання і затухання випромінювання в запилених газових середовищах, властивих металургійним агрегатів. З іншого боку, така довжина хвилі дозволяє проводити вимірювання рельєфу поверхні матеріалів з достатньою точністю [6].

Поширення електромагнітних хвиль у просторі відбувається з постійною швидкістю с = 310⁸ м/с. Таким чином, час проходження радіохвилі від джерела до об'єкта, який знаходиться на відстані Н і назад рівняється

 , (1)

Однак, застосування електромагнітних коливань постійної частоти для радіолокації дозволяє судити лише про наявність об'єкта, але не про відстань до нього. Це пов'язано з тим, що інтенсивність відбитого сигналу залежить не тільки від відстані до об'єкта, але також від розмірів, характеру і властивостей поверхні, що відбиває.

Виміряти величину відстані радіохвилі до об'єкта можна, якщо надати відмінні ознаки кожному з послідовно випромінюваних системою електромагнітних коливань і, завдяки цьому, отримати можливість розпізнавати відбиті сигнали при поверненні їх в приймальний пристрій через ту ж антену, яка їх випромінює [2].

Модулюючи електромагнітні коливання по частоті, тобто змінюючи її по лінійному закону, можна домогтися того, що кожне наступне коливання буде відрізнятися від попереднього невеликим збільшенням частоти. Завдяки цьому можна визначити не тільки наявність об'єкта, а й відстань до нього.

Розглянемо процес визначення відстані до об'єкта при опроміненні його частотно-модульованими мікрохвилями. На рис. 1а представлені закони зміни частоти випроміненої і відбитої радіохвиль.

Якщо частотно-модульовані коливання мають частоту f (t), яка, починаючи з величини f₀, зростає з постійною швидкістю на величину девіації частоти F_д, а потім повертається до значення f₀, то протягом періоду модуляції t_м кожен окремий період коливань, що генеруються може бути відмінний від усіх інших подібних періодів.

У момент часу t₀ = 0 період коливань радіохвилі, відповідний частоті f₀, випромінюється у напрямку віддаленого об'єкта, досягає його і відбивається назад, вступаючи в приймальний пристрій системи через проміжок часу, який визначається тільки відстанню H між антеною радіолокатора і об'єктом. Цей період коливань повертається в приймач через інтервал часу, коли відбувається випромінювання нового періоду коливань, відповідного частоті f₀ + f₁. Гетеродинний сигнал, який є копією випромінюваного в даний момент радіосигналу частоти f₁, також надходить в приймальний пристрій, де він змішується з прийнятим сигналом частоти f₀. На виході змішувача утворюється різницевий сигнал з частотою обвідної биття (рис. 1, б)

У момент часу t₀ = 0 період коливань радіохвилі, відповідний частоті f₀, випромінюється у напрямку віддаленого об'єкта, досягає його і відбивається назад, вступаючи в приймальний пристрій системи через проміжок часу, який визначається тільки відстанню H між антеною радіолокатора і об'єктом. Цей період коливань повертається в приймач через інтервал часу, коли відбувається випромінювання нового періоду коливань, відповідного частоті f₀ + f₁. Гетеродинний сигнал, який є копією випромінюваного в даний момент радіосигналу частоти f₁, також надходить в приймальний пристрій, де він змішується з прийнятим сигналом частоти f₀.

Рис. 1. Закон зміни частоти випроміненого (суцільна лінія

і відбитого (штрихова лінія) сигналів (а); сигнал биття на виході змішувача (б)

На виході змішувача утворюється різницевий сигнал з частотою обвідної биття (рис. 1, б)   (3)

В результаті, вимірюючи частоту F_б, можна визначити величину і, отже, відстань H.

Якщо частота відбитого сигналу - це перший інформативний параметр при зондуванні поверхні матеріалів, то амплітуда коливань (або потужність цього сигналу) є другим інформативним параметром, який, з одного боку, обернено пропорційний відстані до поверхні, а з іншого - залежить від її рельєфу і електро – фізичних характеристик.