МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ, МОЛОДЕЖИ И СПОРТА УКРАИНЫ НАЦИОНАЛЬНАЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ УКРАИНЫ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к выполнению лабораторных работ «Микроволновые измерители технологических

параметров» по ​​дисциплине «Технические средства

автоматизации» для студентов специальности 6.050202

     Утверждено на заседании Ученого совета         академии

Протокол № 15 от 27.12.2010

Днепропетровск НМетАУ 2011

УДК 620.1.08

Методические указания к лабораторным работам «Микроволновые измерители технологических параметров» по ​​дисциплине «Технические средства автоматизации» для студентов специальности 6.050202 / В.И. Головко, О.М. Кукушкин, М.В. Михайловский и др.. - Днепропетровск: НМетАУ, 2011. - 37 с.

Содержат сведения о принципе работы радиолокатора ближнего действия, его конструкции и области применения. На основании реального опыта описаны особенности применения радиолокатора в производственных условиях. Лабораторный практикум состоит из четырех работ по освоению принципов измерения расстояния до статических и движущихся объектов, а также определение степени поглощения и отражения радиоволн различными материалами.

Предназначены для студентов специальности 6.050202 - автоматизация и компьютерно интегрированные технологии.

                           Издается в авторской редакции

Составители: В.И. Головко, д-р техн. наук, проф.

О.М. Кукушкин, д-р техн. наук, проф. М.В. Михайловский, канд.техн.наук, доц. А.О. Верховская, канд.техн.наук, доц.

Ю.П. Лукашевич, аспирант

Ответственный за выпуск А.П. Егоров, канд. техн. наук, доц.         Рецензент В.Н. Куваев, д-р техн. наук, проф. (НГУ)

Подписано в печать 06.12.2011. Формат 60х84 1/16. Бумага печать. Печать плоская. Облик.-вид. л. 2,17. Условий. печать. л. 2,15. Тираж 100 пр. Заказ № 209.

Национальная металлургическая академия Украины 49600, г. Днепропетровск-5, пр. Гагарина, 4 Редакционно-издательский отдел НМетАУ

Содержание Введение 4

1 Радиолокационные принципы измерения расстояния 5

2 Конструкция и техническая характеристика радиоуровнемера РДУ-Х2 8

3 Применение РДУ для измерения в технологических параметру 11

4 Обработка цифрового сигнала РДУ-Х2 16

4.1 Обработка амплитудно-частотного спектра радиосигнала 16

4.2 Визуализация радиосигнала и его спектра 19

Лабораторная работа № 1 определения метрологических характеристик радиолокационные датчики уровня 22

Лабораторная работа № 2 радиолокационные сканирования профиля поверхности материала 28

Лабораторная работа № 3 определения точности измерений радиолокатор при вибрации цели 31

Лабораторная работа № 4 определения радиофизических характеристик объектов 32

Литература 36

Введение

В последние годы все большее распространение получают различного рода микроволновые (МКВ) измерители расстояния. Применение радиолокаторов (радаров) в различных отраслях промышленности существенно улучшает контроль технологических процессов и уровень их автоматизации, позволяет решить принципиально новые задачи АСУ ТП [1].

Преимущество МКВ измерителей состоит в безконтактности, быстродействия, возможности дистанционного управления параметрами радиоволны. Важным фактором является высокая чувствительность при зондировании различных материалов: проводников и диэлектриков, диамагнетиков, парамагнетиков и ферромагнетиков в широком диапазоне величины кусковатости материалов, влажности, температуры и дальности [2].

Электромагнитные волны сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона (1 .... 100 ГГц) занимают промежуточное положение между ультракороткими радиоволнами и инфракрасным (тепловым) излучением. Для изучения явлений НИЧ локации можно использовать оптические аналоги соответствующих методов, основным преимуществом которых является сравнительная простота и достоверность.

Явления поглощения, отражения, преломления, поляризации, интерференции, дифракции радиоволн на частотах НИЧ диапазона подчиняются всем законам физической оптики [3].

Существенным преимуществом радаров является отсутствие движущихся узлов, относительная простота конструкции и возможность пассивной трансляции зондирующих сигналов в труднодоступные по технологическим и эксплуатационным условиям зоны металлургических сосудов и реакторов с изменением направления и фокусировки электромагнитной волны [4,5].

МКВ - методы обеспечивают универсальными возможностями для создания бесконтактных измерителей различного назначения. На их основе может быть создано новое поколение эффективных средств измерительной техники, что обеспечит значительный шаг вперед в развитии систем управления как в металлургии, так и в других отраслях: в энергетике, на транспорте, в химической и пищевой промышленности, в сельском хозяйстве [6] .

В работе использованы материалы магистерских работ Панюшкина Д.В. и Христьяна Р.И.

1 Радиолокационные принципы измерения расстояния

Важнейшим условием эффективности ближней радиолокации является формирование остронаправленного электромагнитного излучения энергии [6]. В диапазоне сверхвысоких частот эта задача решается применением рупорных, параболических, линзовых или стержневых антенн. Наиболее часто используются рупорные антенны, которые являются волноводами с расширением на открытом, излучая энергию конце, присоединяясь другим концом к отверстию прямоугольного волноводного тракта внутри сенсорного блока. Конструкция такого рупора позволяет формировать в его апертуре (выходном отверстии) плоскую электромагнитную волну. Причем, чем больше размер апертуры, тем более узкий пучок энергии можно сфокусировать, многократно увеличив коэффициент усиления антенны.

Важнейшей количественной характеристикой, определяющей способность концентрировать энергию в заданном направлении, является ширина диаграммы направленности антенны, то есть пространственный угол, при отклонении на который интенсивность излучения падает вдвое [6].

В качестве зондирующих сигналов в ближней радиолокации используются радиоволны сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона 10 ... 50 ГГц, излучаемых непрерывно. Соответствующая длина радиоволны (6 ... 30 мм) значительно больше размеров пылевых частиц, что обеспечивает минимальные рассеяния и затухания излучения в запыленных газовых средах, присущих металлургическим агрегатам. Кроме того, такая длина волны позволяет проводить измерения рельефа поверхности материалов с достаточной точностью [6].

Распространение электромагнитных волн в пространстве происходит с постоянной скоростью с = 310⁸ м/с. Таким образом, время прохождения радиосигналов от источника до объекта, который находится на расстоянии Н и обратно равняется

  , (1)

Однако, применение электромагнитных колебаний постоянной частоты для радиолокации позволяет судить лишь о наличии объекта, но не о расстоянии до него. Это связано с тем, что интенсивность отраженного сигнала зависит не только от расстояния до объекта, но также от размеров, характера и свойств отражающей поверхности.

Измерить величину расстояния радиоволны до объекта можно, если предоставить отличительные признаки каждой из последовательно излучаемых системой электромагнитных колебаний и, благодаря этому, получить возможность распознавать отраженные сигналы при возвращении их в приемное устройство через ту же антенну, которая их испускает [2].

Модулируя электромагнитные колебания по частоте, т.е. меняя ее по линейному закону, можно добиться того, что каждое последующее колебание будет отличаться от предыдущего небольшим увеличением частоты. Благодаря этому можно определить не только наличие объекта, но и расстояние до него.

Рассмотрим процесс определения расстояния до объекта при облучении его частотно-модулированными микроволнами. На рис. 1а представлены законы изменения частоты излучений и отраженной радиоволн.

Если частотно-модулированные колебания имеют частоту f(t), которая, начиная с величины f₀, растет с постоянной скоростью на величину девиации частоты F_д, а затем возвращается к значению f₀, то в течение периода модуляции t_м каждый отдельный период колебаний, генерируемых может быть отличный от всех других подобных периодов.

Рис. 1. Закон изменения частоты излученного (сплошная линия)

и отраженного (штриховая линия) сигналов (а);

сигнал биений на выходе смесителя (б)

В момент времени t₀ = 0 период колебаний радиоволны, соответствующий частоте f₀, излучается в направлении удаленного объекта, достигает его и отражается назад, вступая в приемное устройство системы через промежуток времени, который определяется только расстоянием H между антенной радиолокатора и объектом. Этот период колебаний возвращается в приемник через интервал времени, когда происходит излучение нового периода колебаний, соответствующего частоте f₀ + f₁. Гетеродинный сигнал, который является копией излучаемого в данный момент радиосигнала частоты f₁, также поступает в приемное устройство, где он смешивается с принятым сигналом частоты f₀. На выходе смесителя образуется разностный сигнал с частотой огибающей биений (рис. 1, б)

В момент времени t₀ = 0 период колебаний радиоволны, соответствующий частоте f0, излучается в направлении удаленного объекта, достигает его и отражается назад, вступая в приемное устройство системы через промежуток времени, который определяется только расстоянием H между антенной радиолокатора и объектом. Этот период колебаний возвращается в приемник через интервал времени, когда происходит излучение нового периода колебаний, соответствующего частоте f₀ + f₁. Гетеродинный сигнал, который является копией излучаемого в данный момент радиосигнала частоты f₁, также поступает в приемное устройство, где он смешивается с принятым сигналом частоты f₀.

На выходе смесителя образуется разностный сигнал с частотой огибающей биений (рис. 1, б)

  (2)

В результате, измеряя частоту F_б, можно определить величину и, следовательно, расстояние H.

Если частота отраженного сигнала - это первый информативный параметр при зондировании поверхности материалов, то амплитуда колебаний (или мощность этого сигнала) является вторым информативным параметром, который, с одной стороны, обратно пропорционален расстоянию до поверхности, а с другой - зависит от ее рельефа и электрофизических характеристик.