автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Контроль среднеобъемной температуры диэлектрических объектов радиометрическим методом

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Обзор современного состояния термометрии.

1.1. Проблемы использования традиционных методов термометрии.

1.1.1. Классическая газовая термометрия.

1.1.2. Акустическая газовая термометрия.

1.1.3. Ультразвуковая термометрия.

1.1.4. Бесконтактные методы измерения температуры.

1.1.5. Оптико - электронный метод измерения истинной температуры

1.1.6. Радиационный метод измерения истинных температур с дополнительным источником излучения.

1.1.7. Методы измерения истинной температуры с использованием поляризации излучения.

1.1.8. Методы, основанные на дополнительной априорной информации об излучающих свойствах объекта.

1.1.9. Форографический метод измерения яркостной температуры.

1.2. Проблемы и преимущества использования радиометрического метода.

1.2.1. Шумовая термометрия.

1.2.2. Анализ радиометров различных типов.

Выводы. Постановка задачи.

ГЛАВА 2. Анализ основных источников погрешности измерения среднеобъемной температуры (СОТ) объекта.

2.1. Анализ источников погрешности измерения СОТ плоскопараллельной модели объекта.

2.2. Методика расчета погрешности измерения СОТ плоскопараллельной модели объекта.

2.3. Анализ источников погрешности измерения СОТ для цилиндрической модели объекта, заключенной в оболочку из полиэтилена.

2.4. Расчет погрешности измерения СОТ для цилиндрической модели объекта.

2.5. Анализ источников погрешности измерения СОТ цилиндрического объекта, заключенного в металлическую оболочку.

2.6. Расчета погрешности измерения СОТ цилиндрического объекта, заключенного в металлическую оболочку—.

Выводы.

ГЛАВА 3. Теоретико-экспериментальные методы расчета результирующей погрешности измерения СОТ объекта сложной формы.

3.1. Пути построения оценок погрешности измерения для объектов сложной формы.

3.2 Измерение распределения поля в объеме объекта.

3.3 Измерение КУ, ДН и КПД системы «антенна-объект».

3.3.1 Измерение КУ и ДН.

3.3.2 Измерение КПД.

3.4 Измерение распределения напряженности диэлектрического поля и КПД объекта сложной формы.

3.4.1. Описание объекта измерения.

3.4.2. Методика измерения напряженности электромагнитного поля в объеме объекта.

3.4.3. Методика измерения КПД.

3.4.4. Результаты измерений.

3.5. Результаты оценки погрешности измерения СОТ радиометрическим методом.

Выводы.

ГЛАВА 4. Реализация методов измерения среднеобъемной температуры.

4.1 Задача измерения СОТ метательных зарядов.

4.2 Применение принципа радиометрического метода для измерения СОТ метательных зарядов.

4.2.1 Определение электрических параметров материала.

4.2.2 Предварительный выбор частотного диапазона для метательного заряда в полиэтиленовой гильзе.

4.2.3 Оценка влияния параметров антенны-датчика на составляющую погрешность измерения для МЗ в полиэтиленовой гильзе.

4.2.4 Результаты эксперимента.

4.2.5 Выбор оптимального частотного диапазона для МЗ в металлической гильзе.

4.3 Принцип действия устройства измерения среднеобъемной температуры объекта (ИТО).

Выводы.

В последнее десятилетия резко возрос интерес к более широкому использованию микроволновых технологий в различных областях хозяйственной деятельности. Важным направлением является создание автоматизированных, в том числе, адаптивных комплексов. В этих условиях необходими стали разработка и усовершенствование современных средств контроля температуры обрабатываемых материалов.

Измерение температур, отличающихся не только интенсивностью но и пространственным распределением, имеет важное значение для развития авиационной, атомной, металлургической, химической и строительной промышленности, стационарной и промышленной теплоэнергетики, а также при проведении научных исследований.

Традиционные методы измерения температуры основываются на двух главных принципах - контактной и бесконтактной термометрии. И хотя в ближайшее время отказ от них человечеству не грозит, традиционные методы имеют ограниченные возможности при СВЧ - обработке некоторых полимеров, разделении жидких фракций, измерении температур нитросодержащих материалов. В связи с чем возрастает актуальность исследования методов, позволяющих дистанционно и оперативно контролировать среднее значение температуры.

В настоящее время среди бесконтактных методов измерения температуры широко используются методы, основанные на измерении теплового излучения: оптическая пирометрия, пирометрия по излучению, инфракрасная пирометрия, пирометрия инфракрасного или суммарного излучения. Все эти методы термометрии излучения позволяют в принципе измерить термодинамическую температуру с очень высокой точностью.

Однако сейчас, во многих отраслях науки и техники, в физико-технических исследованиях актуальна проблема измерения распределения температур по внутреннему объёму различных физических тел. Для ряда актуальных приложений, таких как СВЧ-обработка некоторых полимеров, разделение жидких фракций в водонефтяных эмульсиях, измерение температуры нитросодержащмих материалов, СВЧ-обработка семян, и т.д. Измерение должно осуществляться с точностью не превышающей так 1-2 К

Обычно эта проблема решается путём установки в точках измерения контактных датчиков температуры, что в большинстве случаев сопряжено с серьёзными неудобствами, а иногда представляется совершенно невозможным. Применение неконтактных измерителей температуры ИК диапазона исключается по причине сильного затухания инфракрасного излучения в большинстве твёрдых тел.

Однако многие твёрдые диэлектрические тела обладают небольшой проводимостью и поэтому не вносят сильного затухания для излучения на частотах радиодиапазона. Таким образом, радиотепловые излучения, исходящие из глубинны таких тел, распространяются за пределы этих тел и, измеряя интенсивность излучения, можно судить о температуре тел или иных участков исследуемого тела. Разумеется, при этом требуется применение специальных антенных устройств, позволяющих выделить из суммарного потока излучения составляющие, исходящие из строго локализованных участков пространства, но такие радиометрические устройства незаменимы, для неконтактного измерения внутренних температур различных тел и объектов, что очень важно для многих областей производства, медицины и ряда прикладных наук.

Следовательно, является актуальным решение задач исследования и разработки методов улучшения измерительных радиометрических приборов, в частности, устройств для измерения среднеобъёмной температуры объекта.

Целью работы является исследование метрологических характеристик радиометрических методов измерения среднеобъемной температуры диэлектрических тел

Задача научного исследования: анализ и минимизация погрешности измерения среднеобъемной температуры диэлектрических тел радиометрическими методами.

Поставленная задача исследований решалась в следующих основных направлениях:

- анализ основных источников погрешностей радиометрических методов измерения среднеобъемной температуры и разработка путей снижения указанных погрешностей;

- разработка практических методов анализа и оптимизации метрологических показателей радиометрических измерителей среднеобъемной температуры;

- создание и экспериментальные исследования макетных образцов для проверки результатов теоретических методов в лабораторных условиях;

- обоснование возможности применения метода измерения среднеобъёмной температуры и выработка практических рекомендаций для конкретных условий применения.

Методы исследования. При решении поставленных задач явились: методы прикладной электродинамики, математического анализа, методы численного моделирования, в том числе с использованием современных программных средств «Математика 2.2», «Математика 3.0», «ARC+13», «ARTlantis», «Visual Basic», «Turbo Pascal».

Научная новизна исследований.

- впервые проведен анализ основных составляющих суммарной погрешности измерения среднеобъемной температуры радиометрическим методом и показано существование оптимального частотного диапазона

- для ряда типовых диэлектрических тел проведён числовой анализ основных составляющих погрешностей;

- для решения задач измерений тел сложной формы предложен и практически реализован теоретико-экспериментальный метод анализа точностных показателей радиометрических измерителей среднеобъемной температуры.

Практическая ценность состоит в том, что

- показана возможность измерения среднеобъемной температуры диэлектрических тел радиометрическим методом с практически приемлемой точностью;

- разработана методика анализа и оптимизации, позволяющая при проектировании радиометрических измерений среднеобъёмной температуры осуществить выбор оптимального частотного диапазона и параметров приёмной антенны.

Реализация результатов работы.

Основные научные и практические результаты в виде, разработанных расчетных методик и рекомендаций использованы в плановой НИОКР по теме «МСТА», выполняемой НИЦ ПРЭ КГТУ им. А.Н.Туполева и в части обоснования методов контроля качества формирования ЭМП, использованы при выполнении г/б НИР

Интеллектуальные системы автоматизированного проектирования микрорадиоэлектронных и квантовых устройств генерации и обработки сигналов и полей» (подраздел «Разработка методов оптимального проектирования систем возбуждения ЭМП в СВЧ-технологических установках»), выполняемой в НИЦ ПРЭ по Единому Заказ-наряду.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на SIXTH SCIENTIFIC EXCHANGE SEMINAR. Moscow 1999г.; на XVI Военно-технической конференции „Вопросы совершенствования боевого применения и разработок артиллерийского вооружения и военной техники». Казань 1999г.; на VII. SCIENTIFIC EXCHANGE SEMINAR. Munchen 2000г.; на конференции «Ракетные и аэрокосмические системы». Москва 2000г., на Международной конференции «КрыМиКо' 2000».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 3 статьи, 9 тезисов докладов и 2 депонированные рукописи, а также получено положительное решение о выдачи патента от 21.02.02.

Структурно диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, содержит 147 страниц машинописного текста, 91 рисунок, 9 таблиц, 74 наименования использованных литературных источников и 2 наименования приложений.

138 ВЫВОДЫ

1. Для измерения среднеобъемной температуры МЗ в полиэтиленовой гильзе с возможно неравномерным нагревом наиболее целесообразно реализовать радиометрический метод измерений в диапазоне частот от значениям 4*109 до 12 *109 Гц.

2. Для МЗ в металлической гильзе, открытой с одного торца, целесообразно использование диапазона частот в пределах 3 109 - 5 109 Гц с преимущественным применением волн Е01.

3. Показано, что при оптимальном выборе размеров антенн, сводящем погрешность измерения СОТ к минимуму с учетом конструкции объекта установки, погрешность измерения может не превышать: 0,68АГ для случая МЗ в полиэтиленовой гильзе; « 0,4 \К для случая МЗ в металлической гильзе.

4. Предложенная методика может быть использована при проектировании измерительных устройств, включая выбор параметров «антенны-датчика», для конкретных практических приложений.

Заключение

Основной результат диссертационной работы состоит в том, что в результате проведенного исследования метрологических показателей обоснована возможность осуществления измерений среднеобъемной температуры диэлектрических тел с точностью, приемлемой для практики. Основные выводы по работе можно сформулировать в виде следующих положений:

1. Показано, что при измерения среднеобъемной температуры диэлектрических тел радиометрическим методом преобладают три основных вида погрешности: погрешность, обусловленная неравномерностью распределения интенсивности поля; погрешность, обусловленная приемом внешних радиотепловых излучений; флуктуационная погрешность радиометра.

Получены расчетные соотношения, определяющие значения указанных погрешностей.

2. В результате проведенного теоретического анализа погрешности измерения среднеобъемной температуры диэлектрических тел, представленных моделями в виде однородного плоского слоя, диэлектрического цилиндра и металлического цилиндра, заполненного диэлектриком, определены условия, при которых суммарная погрешность измерения минимальна. Показано, что существует оптимальный частотный диапазон, соответствующий минимуму погрешности измерений. Указанный диапазон определяется условием oiL - -Je ■ tgS, где L - максимальный размер объекта, а- коэффициент затухания.

140

3. Для анализа метрологических показателей измерения среднеобъемной температуры диэлектрических тел сложной геометрической формы разработана теоретико-эксперименальная методика. Исследование её позволяет осуществить выбор основных параметров измерительной аппаратуры, включая параметры антенн, при которых погрешность измерения минимальна.

4. Для измерения среднеобъемной температуры метательных зарядов показано, что погрешность измерений при помощи радиометрической аппаратуры, спроектированной на основе разработанных методик, может не превышать 0,68К полиэтиленовый, 0,5К - металлический. Выработаны рекомендации по выбору частотного диапазона и основных параметров антенно-фидерного тракта устройств для указанных измерений.

1. Айнбиндер И.М. Шумы радиоприемников - М.: Связь, 1974, - 328 е.: ил.

2. Айзенберг Г.З. Антенны УКВ/ Под ред. Г.З. Айзенберга, в 2-х ч. М.: Связь, 1977, - 384 е.: ил.

3. Астанин Л.Ю., Костылёв А.А. Основы сверхширокополосной радио локационных измерений М.: Радио и связь, 1989, - 192 е.: ил.

4. Бахвалов Н.С. Численные методы-М.: Наука, 1973, 631с.

5. Башаринов А.Е., Тучков Л.Т. Измерение радиотепловых и плазменных излучений в СВЧ диапазоне М.: Советское радио, 1968, - 390 с.

6. Белоглазов И.Н., Джанджава Г.И., Чикин Г.П. Основы навигации по геофизическим полям. М.: Наука, 1985. - 328 с.

7. Богородский В.В., Козлов А.М. Микроволновая радиометрия земных покровов. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 272 с.

8. Богородский В.В., Канарейкин Д.Б., Козлов A.M. Поляризация рассеянного и собственного радиоизлучения земных покровов. Л.: Гидрометеоиздат, 1981.-280 с.

9. Богородский В.В., Козлов Д.В., Пварийский Ю.Н. Радиотелескопы и радиометры. М.: Наука, 1973. - 416 с.

10. Бражников Н.Н. Ультразвуковые методы / Под ред. академика АН Киргизской ССР Н.Н. Шумиловского Л.: Энергия, 1965 , - 248 с.

11. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся вузов М.: Наука, 1986, - 544 с.

12. Вепшек Я. Измерение низких температур электрическими методами М.: Энергия, 1980 , - 224 е.: ил.

13. З.Верещагин Е.М. Антенны и распространение радиоволн М.: Воениздат, 1964,-238 с.

14. Вольман В.И. Техническая электродинамика М.: Связь, 1971, - 487 е.: ил.

15. Гадзиковский В.И., Калмыков А.А., Кубланов B.C., Серегин Н.И. Основы радиотеплолокации / Учебное пособие. Екатеринбург: УГПУ, 2001, -116 с.

16. Гортышов Ю.А., Дресвянников Ф.Н. Теория и техника теплофизического эксперимента / 2-е изд., перераб. и доп. под ред. В.К. Щукина М.: Энергоатомиздат, 1993,- 448 с.: ил.

17. Евсиков Ю.А., Чапурский В.В. Преобразование случайных процессов в радиотехнических устройствах. -М.: Наука, 1985. 328 с.

18. Есепкина Н.А. Корольков Д.В., Парийский Ю.Н. Радиотелескопы и радиометры. М.: Наука, 1973. - 416 с.

19. Жалуд В., Кулешов В.Н. Шумы в полупроводниковых устройствах / Под ред. А.К. Нарышкина -М.: Сов. радио, 1977, 416 е.: ил.

20. Жуков А.Г., Горюнов А.Н., Кальфа А.А. Тепловизионные приборы и их применение / Под ред. Н.Д. Девяткова. М.: Радио и связь, 1983, - 168 е.: ил.

21. Захарьев J1.H., Леманский А.А. Рассеяние волн черными телами М.: Советское радио, 1972, - 288 с.

22. Захарьев Л.Н., Леманский А.А. Методы измерения характеристик антенн СВЧ / Под ред.Н.М. Цейтлина М.: Радио и связь, 1985, - 368 с.:ил.

23. Измерение нестационарных температур и тепловых потоков. Сборник статей /Перевод с английского под.ред. д-ра техн. наук, профессора А.Н. Городова М.: МИР, 1966, - 295 с.

24. Канарейкин Д.В., Павлов Н.Ф., Потехин В.А. Поляризация радиолокационных сигналов. -М.: Сов. Радио, 1966. 440 с.

25. Караваев В.В., Сазонов В.В. Статистическая теория пассивной радиолокации (серия «Статистическая теория связи», вып. 27). М.:Радио и связь, 1987. - 240 с.

26. Карпентье М. Современная теория радиолокации М.: Советское радио, 1965,-216 с.

27. Катыс Г.П. Методы и приборы для измерения параметров нестационарных тепловых процессов М.: МАПТГИЗ, 1956,217 е.: ил.

28. Крейнгель Н.С. Шумовые параметры радиоприемных устройств Л.: Энергия, 1969, - 168 с.

29. Куинн Т. Температура / Пер. с англ. М.: Мир, 1985. - 448 с.

30. Кулько В.Ф., Михайловский В.Н. Электромагнитное поле в слоистых проводящих средах К.: Наукова думка, 1967, - 147 с.

31. Луи де Бройль. Электромагнитные волны в волноводах и полых резонаторах М.: Иностранная литература, 1948, - 107 с.

32. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны / Учебник для студентов радиотехнических специальностей вузов. Изд. 2-е, пераб. и доп. М.: Энергия, 1975, - 527с.: ил.

33. Николаев А.Г., Перцов С.В. Радиотеплолокация пассивная М.: Советское радио, 1964, - 334 е.: ил.

34. Николаев А.Г., Перцов С.В. Радиотеплолокация М.: Воениздат , 1970 , -132 с.

35. Поскачей А.А. , Чубаров Е.П. Оптико-электронные системы измерения температуры/2-е изд.,перераб. и доп.- М.: Энергоатомиздат, 1988,- 248 е.: ил

36. Саватеев А.В. Шумовая термометрия Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1987,-132 е.: ил.

37. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ/ Учебник для радиотехнич. Спец. вузов. М.: Высш. шк., 1988, - 432 е.: ил.

38. Свет Д.Я. Оптические методы измерения истинных температур М.: Наука, 1982,-358 с.

39. Современная радиолокация / Пер. с англ. под ред. Ю.Б. Кобзарева М.: Советское радио, 1969, - 704 е.: ил.

40. Скольник М. Введение в технику радиолокационных систем / Перевод с анг. П.К. Горохова и Р.С. Соловейчика под ред. К.Н.Трофимова М.: Мир, 1965.-747 с.

41. Степаненко В.Д., Щукин Г.Г., Бобылев Л.П., Матросов С.Ю. Радиотеплолокация в метрологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. - 284 с.

42. Теоретические основы радиолокации / Под ред. В.Е.Дулевича. М.: Сов. радио, 1978. - 608 с.

43. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнение математической физики М.: Наука, 1966, - 724 с.

44. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. М.: Сов. радио. 1978. - 608 с.

45. Троицкий B.C. К теории контактных радиометрических измерений внутренней температуры тела// Изв. Вузов. Радиофизика. 1981, Т. 24, № 9.

46. Финкельштейн М.Н., Мендельсон B.JI., Кутев В.А. Радиолокация слоистых земных покровов Под.ред. М.И.Финкелыптейна М.: Сов. радио, 1977,- 176 с.

47. Фрадин А.З., Рыжков Е.В. Измерение параметров антенно-фидерных устройств М.: Связь, 1962, - 316 е.: ил.

48. Щиголев Б.М. Математическая обработка наблюдений М.: Наука, 1969,- 344 с.

49. Шутко A.M. СВЧ-радиометрия водной поверхности и почвогрунтов М.: Наука, 1986. - 192 с.

50. Янке Е., Эдме Ф. Таблицы функций с формулами и кривыми / Пер. с нем. Седова Л.И., Толстовой Г.В. 1959, - 420 е.: ил.

51. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике для инженеров и студентов ВУЗов. М.: Наука, 1979. - .944 с.

52. Barton I.J. The along track scanning radiometr // 5 th Nat. Space Eng. Symp., Canberra, 27 Nov.-l Dec., 1989: Conf. Proc. Inst. Eng., Austral. 1989. N 21, -61-65.

53. Begue A., Imbernon J., Desprat J.F. Estimation de la productionprimaire en zone sahelienne a partir de donnees radiometrigues // 5 eme Collog. Int. «Mesures phus. et signatures teledetect»., Courchevel, 14-18 Jan., 1991. Vol. 2. Paris, 1991.-549-552.

54. Gasiewski A.J. A technigue for measuring vertically and horizontally polarized microwafe temperaturesusig electronic polarization-basis rotation //

55. ARSS'90.: 10 th Annu. Int. Geosci. And Remote Sens.Symp.-Washington, D.C., May 20-24, 1990. Vol. 2. 1569-1572.

56. Lopez Garsia M., Caselles V., Melia J., Peter Cueva A.J. NOAA-AVHRR contribution to the analysis of urban heat islands // 5eme Collog. Int. «mesures phys. et signatures teledetect.», Courchevel, 14-18 Jan., 1991. Vol. 2. Paris, 1991. 501-504.

57. Hisada Yasumasa, Tachi Kazuo. Electrically scaning microwave radiometr. National Spase Development Agency of Japan N 418164.

58. La a peri An-tti. Experimental results from oil thickness measurements with the microprocessor controlled microwave radiometer // Int Geosci. And Remote Sens. Symp., San Francisco, Calif., 31 Aug.-2 Sept., 1983, Vol.2,FA6.6/-FA6.6/5.

59. Sonnenschein Alexander, Fichman Philip M. Radiometric detection of spread-spectrum signals in noise of uncertain power // IEEE Trans.Aerops. and Electron. Syst.- 1998.-28.-N 3.-654-660.

60. Rosenkranz P.W. Interference of sea surface temperature, near surface wid, and atmospheric water by Fourier analysis of scanning multichannel microwave radiometer data // Oceanogr. Space. Proc. COSPAR/SCOR/IUCRAM Symp., New York; London, 1998, 707-716.

61. Григорьев А.В., Седельников Ю.Е. Оптимизация параметров радиометра для измерения среднеобъемной температуры диэлектрических тел.

62. Григорьев А.В., Седельников Ю.Е. Оценка погрешности среднеобъемной температуры радиометрическим методом / Казан, гос. техн. ун-т. Казань, 1999. - 35 с. Деп. в ВИНИТИ 08.02.99. № 424- В99.)

63. Григорьев А.В., Седельников Ю.Е Исследование влияния форм и размеров антенн на точность измерения среднеобъемной температуры / Казан. Гос. техн. ун-тю Казань, 2000. -32 с. Деп. в ВИНИТИ 10.05.00 № 1384- В00.

64. Григорьев А.В., Седельников Ю.Е. Измерение средней температуры объекта радиометрическим методом. //Ракетные и аэрокосмические системы: Сборник тезисов статей студентов, аспирантов и молодых ученых. М.: Изд-во МАИ, 2000, 45-46.

65. Григорьев А.В. Измерение стеднеобъемной температуры цилиндрических объектов радиометрическим методом // Вестник КГТУ им. А.Н.Туполева.-Казань: Изд-во КГТУ, 2001, № 4(20), 38-40.

66. Grigoriev A.V., Sedelnikov Yu.E. Das Messen der Mittelvolumentemperatur der Objecte bei der Radiometrischen Methode. //VII. SCIENTIFIC EXCHANGE SEMINAR. Munchen, Germany. Technical University Munich., 2000, 20-23.

67. Григорьев А.В. Измерение стеднеобъемной температуры цилиндрических объектов радиометрическим методом // Электронное приборостроение. Научно-практический сборник. Казань: КГТУ (КАИ). Консорциум "Микроэлектроника", 2001, № 1(22), 51-57.

68. Григорьев А.В., Застела М.Ю., Седельников. Анализ антенно-фидерного тракта на точностные характеристики радиометрического приемника // Электронное приборостроение. Научно-практический сборник. Казань: КГТУ (КАИ), НИО "САН", 2002, № 1(22), 51-61.