автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Микроволновый термовлагометрический метод и устройство контроля влажности строительных материалов

На правахрукописи

ТЁТУШКИН Владимир Александрович

МИКРОВОЛНОВЫЙ ТЕРМОВЛАГОМЕТРИЧЕСКИИ МЕТОД И УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ВЛАЖНОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тамбов 2004

Работа выполнена в Тамбовском государственном техническом университете на кафедрах "Криминалистика и информатизация правовой деятельности" и "Конструирование радиоэлектронных и микропроцессорных систем"

Научный руководитель Доктор технических наук, профессор

Чернышев Владимир Николаевич

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

Беляев Павел Серафимович

кандидат технических наук, доцент ИвановскийВасилийАндреевич

Ведущая организация: АООТ НИИ "Электромера",

г. Санкт-Петербург

Зашита диссертации состоится 23 декабря 2004 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.260.01 Тамбовского государственного технического университета по адресу: г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ, Большой зал.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ, ученому секретарю совета Д 212.260.01.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тамбовского государственного технического университета.

Автореферат разослан 23 ноября 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

АА. Чуриков

ОБШДЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Контроль качества строительных материалов заключается в проверке соответствия их характеристик установленным требованиям. В производстве широко применяют неразрушающий контроль, позволяющий проверить качество продукции без нарушения ее целостности и использования по назначению. При этом особая роль в повышении эффективности производства и улучшении качества продукции отводится автоматическим средствам измерения.

В строительстве от влажности зависят основные свойства строительных материалов: теплофизические, теплозащитные и прочностные характеристики строительных сооружений и конструкций, их долговечность, надежность и эксплуатационные качества.

В измерении влажности, широкое распространение получили микроволновые (СВЧ) методы и устройства, теория которых достаточно хорошо разработана, а также из-за очевидных преимуществ: реализация неразру-шающего контроля; приемлемая точность измерения; безопасность из-за информативного взаимодействия маломощных микроволновых полей бегущих и стоячих волн с материалом, не сопровождающегося нагревом материала. "

Однако практически все микроволновые методы и устройства обладают рядом недостатков:

- работают на одной (двух) стабилизированной частоте;

- неуниверсальные по виду и форме материала, чаще всего требуют индивидуальной тарировки по месту;

- во влагометрии строительных материалов не применимы двух-апертурные методы свободного пространства на прохождение, резонатор-ные, волноводные и зондовые, позволяющие определять, в частности, только интегральную и среднюю влажности по зоне взаимодействия. Апертурные методы к тому же в реализации стационарны, громоздкие и дорогостоящие;

- одноапертурные методы на отражение пригодны не всегда, к тому же основной метод угла Брюстера позволяет определять только поверхно--стную влажность и не всегда имеются обоснования границ применимости методов отражения по толщине материала, отсутствуют согласования по волновым сопротивлениям - низкий коэффициент бегущей волны (КБВ) и КПД;

- в известных устройствах нет сопряжения взаимодействия микроволновых полей с материалом с возможностью их СВЧ-нагрева; процесс такого нагрева весьма информативен, дает возможность исследования, кроме влажности, совокупности других теплофизических характеристик

материала, кинетики СВЧ-сушки, сследования термограмм. Сопряжение материала, кинетики СВЧ-сушки, иРММЦНПГП виннодействия полей с ис-информативных возможностей мал| 1

следуемым материалом и процесса микроволнового нагрева обеспечивает одновременное измерение поверхностной влажности материала и влажности по объему взаимодействия не равных из-за нормального градиента влажности, обусловленного текущими процессами высушивания и увлажнения, т е необходимо измерение комплекса этих величин,

- на данный момент не исследованы информативные аспекты дисперсии диэлектрической проницаемости влажных материалов - частотные зависимости, необходимость оперативного сканирования влажности больших поверхностей;

- существует неразрешенный вопрос оптимизации выбора полосы рабочих частот.

Разрешение противоречий и задач, указанных выше, позволило разработать метод и реализующий его измерительный комплекс определения поверхностной влажности и влажности по объему взаимодействия с перспективой определения других теплофизических величин. Это стало возможным на основании теоретических и практических разработок термо-влагометрического микроволнового метода.

Все приведенное выше определяет актуальность проведения исследований и разработок методов и устройств термовлагометрии строительных материалов.

Цель работы Разработать бесконтактный неразрушающий микроволновый метод контроля поверхностной влажности и интегральной по объему материала влажности и реализующий его измерительно-вычислительный комплекс.

Методы исследования основаны на применении теории электродинамики, теории антенно-фидерных устройств, теории диэлектриков в микроволновых полях, математического моделирования и метрологии.

Научная новизна:

- разработаны физико-математические модели взаимодействия микроволновых полей с поверхностным слоем и внутренним объемом влажного материала;

- "создан новый микроволновый термовлагометрический метод измерения поверхностной влажности и интегральной по объему материала влажности, в основу которого положено измерение температуры влажного материала при поглощении его локализованным минимальным объемом определенной и фиксированной дозы микроволнового излучения бегущей волны. Метод, в отличие от известных, позволяет без нарушения целостности исследуемых объектов и при одностороннем доступе к их поверхности определить указанный выше комплекс параметров с высоким быстродействием и точностью,

- разработана приемно-передающая волноводно-щелевая апертура, позволяющая реализовывать термовлагометрический метод, а также обеспечивающая минимальный объем взаимодействия с полной безопасностью

от облучения из-за использования электронно-управляемой диаграммы направленности.

Практическая ценность. На основании предложенного метода разработан измерительно-вычислительный комплекс с математическим, программно-алгоритмическим и метрологическим обеспечением для определения поверхностной влажности и влажности по объему взаимодействия, использующий разработанные апертурные преобразователи с управляемой диаграммой направленности.

Реализация результатов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований диссертационной работы апробированы и рекомендованы к внедрению и в практику контроля влажности строительных материалов в ООО "Строй-Премьер", при выполнении НИР по контролю влажности антенных обтекателей по теме заданной главкомом ВВС в ТВАИЙ, в учебном процессе ТГТУ.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались на Школе-семинаре молодых ученых "Метрология, стандартизация, сертификация и управление качеством продукции" (Тамбов, 2003), IV Всероссийском с международным участием научно-практическом семинаре "В мире неразрушающе-го контроля и диагностики материалов, промышленных изделий и окружающей среды" (Санкт-Петербург, 2003), 3-й Международной конференции "Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности" (Москва, 2004), VII Всероссийской научно-технической конференции "Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического моделирования" (Тамбов, 2004), Пятой Международной теплофизической школе "Теплофизические измерения при контроле и управлении качеством" (Тамбов, 2004), Международной конференции "Наука на рубеже тысячелетий" (Тамбов, 2004).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе получено положительное решение на заявку на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, списка используемых источников, работа изложена на 182 страницах, содержит 85 рисунков, 4 таблицы и 62 наименования библиографического указателя.

Автор благодарит доктора технических наук, профессора Д.А. Дмитриева и кандидата технических наук ПА Федюнина за консультации при работе над диссертацией.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, раскрыты научная новизна и практическая ценность, показаны результаты апробации и реализации работы.

В первой главе "Литературный обзор и постановка задачи исследования" проведен сравнительный анализ существующих СВЧ-методов и устройств контроля влажности строительных материалов. Приведены достоинства и недостатки микроволновых влагомеров. Обоснована необходимость разработки нового неразрушающего микроволнового термовлаго-метрического метода, а также измерительно-вычислительного комплекса, реализующего предложенный метод.

Во второй главе "Модели взаимодействия микроволновых полей с влажными материалами" даны аналитические модели электрофизических характеристик свободной воды и капиллярно-пористых строительных материалов; выявлены влажностные, частотные и температурные характеристики влагосодержащих материалов; проведен расчет параметров влажных строительных материалов на основе "смесевых характеристик".

Аналитические зависимости (с коррекцией по экспериментальным данным по литературным источникам) величин от частоты

(или длины волны Хг) - дисперсионные характеристики и от температуры t, 0С (или Т, К) - температурные характеристики, где е',и е" - действительная и мнимая части относительной диэлектрической проницаемости материала.

Расчетные дисперсионно-температурные зависимости е', е" для свободной воды в рабочем диапазоне частот (Ä,):

"Смесевые" характеристики влажных материалов как системы "сухой материал со связанной влагой - свободная (объемная) влага" рассчитываются по корректированной формуле Лихтенекера, где 1¥е [0,05... 0,3]:

(3)

где а е [0,5... 1] - эмпирический коэффициент находился экспериментально (а = 0,7) из условия лучшего приближения; е'ьопределяется по (1) для свободной воды.

Величина е2,м для сухого материала со связанной влагой определяется по обобщенной формуле Рейнольдса - Хью:

е2см Е2сух + £2су* > (£1о> в £2сух ) [ Ё2сух + £1св в Е2сух )1 > (4)

где £'2сух - величина г для сухого материала; , - диэлектрическая проницаемость связанной влаги ( е^, е [4,5...5,8]); А - коэффициент формы

частиц влаги (А = 0,33); Ж в - постоянная величина объемной влажности связанной воды (Ж= 0,05).

Величина Е*м определяет потери СВЧ-энергии на нагрев влажного материала и, следовательно, информативную величину Д? ~Ф( Ж), где Ж-средняя влажность по объему нагрева (взаимодействия). Величина и потери прямо пропорциональны объему свободной влаги в материале, т.е. величина объемной влажности:

где величина определяется выражением (2).

Объем локализованной зоны нагрева определяется эффективной глубиной проникновения поля (высотой зоны нагрева к) во влажный материал, рассчитываемой по преобразованному выражению для немагнитных материалов:

В рабочей зоне длин волн, принадлежащей А.г е [0,017... 0,02] м, показана практическая инвариантность величины к от температуры в пределах от 0 °С до 40 °С, а также что минимальная толщина материала равна Ь = 0,015 м при Жтт = 0,05.

В третьей главе "Теоретические основы проектирования измерительных волноводно-щелевых апертурных излучателей с частотным сканированием" приведены основные соотношения для линейной решетки излучателей с частотным сканированием; канализирующие системы антенн с частотным сканированием; волноводно-щелевая антенна с частотным сканированием; конструкции измерительных волноводно-щелевых антенн.

Для измерения поверхностной влажности Ж строительных материалов используем метод угла Брюстера 8бр (полного преломления), т.е. величина угла Брюстера функционально зависит от величины £'си = /(ЙСп). Нахождение этого угла как меры Ж реализуется с помощью специально разработанной антенны с электронным управлением луча, позволяющей с большой скоростью менять положение диаграммы направленности (ДН) по углу в требуемом секторе без громоздких механических устройств, необходимых в антеннах при неэлектрическом управлении лучом.

Частотное управление лучом антенны является одним из способов электрического управления и позволяет получить зависимость отклонения угла максимума ДН ДО от нормали к оси решетки излучателей:

ь к

5шде=—у-р—

(7)

где у = с/У - замедление фазовой скорости и в канализирующей системе, возбуждающей излучатели; с = 3-108м/с; Хг - длина волны генератора; р = п + Ф/2 Л, п - 0, ±1, ±2,... - номер луча; 11 - геометрическая разность длин канализирующих систем двух соседних излучателей; d - расстояние между излучателями.

Углочастотная чувствительность антенны (в градусах на процент изменения частоты (длины волны)):

0,573 (

А = -

50

совб

I

гУф +5т9 ,

(8)

где Угр = е/Ур - замедление групповой скорости ¥гр волны, распространяющейся в канализирующей системе.

Ширина диаграммы направленности зависит от относительной величины мощности. При Р1 /РО = 0,05 (коэффициент использования раскрыва при этом равен 0,83):

где I = Nd, а N число излучателей решетки.

Важное значение при проектировании излучателя имеет выбор расстояния между соседними излучателями d, которое должно быть таким, чтобы при качании луча в заданном секторе исключалась возможность появления побочных главных максимумов. Это условие будет выполнено, если расстояние d удовлетворяет соотношению

На рис. 1 показаны зависимости угла отклонения максимума ДН град при различных значениях реализуемого противофазного

шага d, см. На рис. 2 показана нормированная по относительному (в %) изменению угловая чувствительность при разных

значениях замедления V, ^ и d. На основании данных рис. 1 и 2 выбирается рабочий диапазон длин волн термовлагометрии с учетом минимума температурной чувствительности.

Д0, град 0

с1, см

I

-6 -10

-Щ\„ 0,887) • 57,3 ■ Д9(>.г> 0,963) -57,3 _2() -де(>.г, 1,045)-57,3 Дб^г, 1,133)-57,3 -Де(М,23) 57,3

^ ! ^ ч

X ' V. ^ |

*

> дер: 3 ч ^ ч.

Л^-граб

1

1,6 1,74 1,8 2

Рис. 1 Зависимость угла отклонения максимумаДН Д9(ХТ> <0

ДХ„ см

Рис. 2 Зависимость углочастотной чувствительности 5дд

Ребристая замедляющая структура (ЗС) должна обеспечивать максимальное групповое замедление, выбор геометрических ее размеров и шага ? осуществляется по выражению:

где к= 2я/Хт -волновоечисло;?', А-размеры ЗС.

В четвертой главе "Термовлагометрический метод и разработка измерительных волноводно-щелевых апертур" описана сущность апер-турного комбинированного термовлагометрического микроволнового метода; проведена разработка аналитической модели измерения поверхностной влажности по углу Брюстера; представлен алгоритм микроволновой термовлагометрии; обоснован выбор рабочего диапазона длин волн; разработаны конструкции приемно-излучающих измерительных апертур.

Предлагается одноапертурный термовлагометрический микроволновый метод контроля твердых болынеразмерных изделий из строительных материалов, таких как бетон разных марок (в соответствии с ТУ диапазон We [0,05...0,3] объемной влажности), керамика, гипсоблоки, силикатный кирпич и т.д.

Главной целью разработки односторонней апертуры являлось обеспечение максимума переноса СВЧ-энергии падающей волны именно в материал и минимума отражений и рассеивания энергии в окружающее пространство, повышение локальности измерения Wв стремлении ограничить объем взаимодействия преломленной волны с материалом и его минимизацию, уменьшая величину к < Ь и величину площади облучения Б^, для повышения чувствительности и безопасности.

Угол полного преломления для .Е-волн (вектор Е лежит в плоскости падения) - угол Брюстера определяется условием:

где 0ГЯ = 9вр при номинальном значении

Зависимость угла отклонения А0 для волны Ню, 0,032 при

номинале, Х,-ном = 0,0174 м, величина 2й=0,0207 м (рис. 3):

Для красного кирпича, на примере которого рассматриваются аналитические зависимости, получаем информативную зависимость Wn от комплекса параметров (рис. 4):

1п1ёг Г [ 9ГЛ ± агсвЫ [ч К 2У1 3,2-10 . "2 11 2,07-10"2 -1п 3,766

1п< 83,2 - 0,3775/ ► -1п 3,766

' ех ( 2,75 ) [1+О2Ы0-5 ' + 273 )2] к А

1.428

При реализации термовлагометрического метода определяется изменение температуры поверхности, фиксируемое блоком ТП (батарея термопар), 4Г (°С) = Ф(W). Время нагрева tH (с) = const; Ршд = const (при этом S* = Ф (W), т.е. Ртд = Ф(№), тогда необходимо через измерение £',.„ (по углу Брюстера) корректировать (стабилизировать) Рпйд = Pt или tH так, чтобы количество энергии было Рпрелож tH = Q = const по следующему алгоритму:

1) измерение ротрт1п ; 2) измерение рпйд; 3) измерение рпрелож = рпйд - ротр

4) изменяя Р„й3, стабилизируетсяРп„„ж •

Количество тепла, поглощаемое материалом:

где Суси - объемная теплоемкость влажного материала, определяемая по формуле Оделевского:

Суш ~ а + (а1 + Сп Сп/2)"2, а = ((31Г-\) Су[+ 2(2-ЗЩ Сп) / 4. (16)

Плотность влажного материала рассчитывается по выражению:

Р«=Р2+*Р.- 0?)

Откуда измеренна; д •р _

Р /

прелом м

С,т<ЮРа.ЮГю(Ю '

(18)

где^м (Ж) = S3 (Жп) к(Ж) 5 £>п^п) к(Ж) - переменный объем взаимодействия (объем нагрева). Значение (Жп) фиксируется при измерении Жп.

По (18) при разных Хт € [1,7. ..2] см строятся аналитические зависимости АЛЩ, Расчет ведется для нормированной, относительно поглощаемого количества энергии СВЧ преломленной волны, для случаев "карандашной" ДН (Д0о,5 ~ 0) и ДН с расчетным Д0о,5 по выражению

дгогл.0

дг.=-

V-

0,284-107-3,10 Г Я,(ХГ)ХГ '

(19)

В пятой главе "Измерительные устройства термовлагометрии"

дано описание базовой конструкции приемно-передающей апертуры и устройства микроволнового термовлагометра; приведены алгоритмы измерений и расчета влажности; дана методика экспериментального определения влажности; выявлены метрологические аспекты микроволновых измерений и приведен метрологический анализ метода; представлено описание термоприемников; приведена техника безопасности при микроволновых измерениях.

На рис. 5 показана конструкция комплексного приемно-передающего антенного преобразователя, состоящего из излучающей кольцевой щелевой антенны и приемной - рупорного типа, где введены следующие обозначения: а - ЭМЭ (электромагнитный экран и приемный рупор мощности отраженной ЭМВ - Ртр); б - 0а - угол между плоскостью материала и максимумом диаграммы направленности (ДН) апертуры (щелевой антенны): щель длины - полуволновая поперечная щель; в - одна из щелевых антенн; г - кольцевой прямоугольный волновод (ВВ) с излучающими щелевыми антеннами; д - внешняя щель возбуждения кругового ВВ; е -возбуждающий вибратор; ж - плоскость материала; з - пространство, заполняемое теплоизолирующим радиопрозрачным материалом с наклеенным комплектом термопар (термобатарея).

Рис. 5 Комплексная апертурная система

Схема устройства, реализующего предлагаемый способ, показана на рис. 6, где цифрами обозначены следующие блоки: 1 - блок генератора, управляемого напряжением (ГУН) на лампе обратной волны (ЛОВ"0") '"Шеелит" и УВ-40: Рш1! = 100 Вт в непрерывном режиме, (/тт"^тах) 6(15... 17) ГГц с делителем частоты (спецблок), А/д < 0,5 ГГц - диапазон управляемой девиации частоты (предусмотрена работа с клистронным ГСВЧ на К-27 со стационарным блоком управляемого питания при измерении Жп; 2 - управляемый микропроцессором (МП) аттенюатор на подмагниченном феррите; 3 - СВЧ-термисторный ваттметр с выходом через УПТ и АЦП на МП (через МП управление и стабилизация Рвых); 4 - диодный импульсный модулятор; 5 - генератор видеоимпульсов, управляемый микропроцессором; 6 - пиковый детектор; 7 - волноводный Y-циркулятор; 8 - поглощающая согласованная нагрузка; 9 - кольцевая переменно-фазная многощелевая антенна - излучающая часть комплексной апертуры; 10 - рупорная приемная часть комплексной апертуры; 11 - вентиль; 12 - СВЧ-термисторный ваттметр; 13 - экстремальный цифровой регулятор поиска и индикации минимума мощности отраженной волны Ротр по управляемой величине напряжения на втором аноде ЛОВ"0"1 (Ем - Кл 5); 14 - управляемый микропроцессорный блок питания для 1 (УБП); 15 - счетчик видеоимпульсов (ВИ), сопряженный с цифровым волномером 16; 17 - резонатор-ный датчик волномера; 18 - микропроцессор; 19 - блок термопар (ТП); 20 - персональный компьютер.

Рис. 6 Схема термовлагометра

Рис. 7 Зависимости ДГот Ж(термовлагограммы)

На рис. 7 представлены результаты экспериментальных исследований.

Измерительно-вычислительный комплекс определяет влажностные параметры строительных материалов и обеспечивает реализацию нового термовлагометрического метода со следующими данными на примере красного кирпича: Же [0,05...0,3] объемной влажности; погрешность измерения Жп = 8 %, Ж= 5 % при I = 0...40 °С.

Результаты исследований прошли испытания и приняты к использованию в строительных организациях и внедрены в практику контроля влажности антенных обтекателей по теме, заданной главкомом ВВС в ТВАИИ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1 Проведенный литературный обзор и информационный анализ показали, что отсутствуют микроволновые методы, позволяющие с большой оперативностью и достоверностью измерять влажностные характеристики большеразмерных строительных изделий при одностороннем доступе к их поверхности.

2 Разработаны физико-математические модели взаимодействия микроволновых полей с поверхностным слоем и внутренним объемом влажного материала.

3 Разработан новый метод микроволновой термовлагометрии, состоящий в том, что: а) с помощью частотноуправляемой специально организованной апертуры определяют поверхностную влажность по длине волны генератора Хг при условии реализации интегральной диаграммы направленности (ДН) (диаграммы Брюстера) по минимуму отраженной мощности Ротр; б) измеряют интегральную влажность Wс учетом объема взаимодействия по изменению температуры t исследуемых материалов и изделий.

4 Разработана приемно-передающая волноводно-щелевая апертура, позволяющая реализовывать метод измерения поверхностной влажности и по объему взаимодействия влажности, работающая в диапазоне длин волн от 0,015 до 0,02 м и обеспечивающая минимальный объем взаимодействия с полной безопасностью от облучения из-за использования электронно-управляемой диаграммы направленности.

5 Разработан, реализован и исследован измерительно-вычислительный комплекс определения влажностных параметров строительных материалов, обеспечивающий реализацию нового термовлагометрического метода со следующими данными на примере красного кирпича: We [0,05...0,3] объемной влажности; погрешность измерения Wп = 8 %, W = 5 %; при t = 0...40 °С. Комплекс позволяет без тарировки по месту измерять влажность большеразмерных строительных материалов (рис. 8).

6 Результаты теоретических и экспериментальных исследований прошли испытания и приняты к использованию в строительных организациях и внедрены в практику контроля влажности.

Рис. 8 Фотография экспериментальной установки

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1 Тетушкин В. А. Микроволновой термовлагометрический метод контроля органических соединений / В. А. Тетушкин, М. А. Суслин, В.Н. Чернышов, Д.А. Дмитриев // Вестник ТГТУ 2004 Т. 10, № 2 С 428-433

2 Тетушкин В. А. Апертурный термовлагометрический метод контроля строительных материалов / В. А. Тетушкин // Труды ТГТУ. Сб. научных статей молодых ученых и студентов Тамбов, 2004 Вып. 16 С 54-57

3 Тетушкин В. А. СВЧ-метод контроля влажности органических соединений / В. А. Тетушкин // IX научная конференция ТГТУ. Пленарные доклады и краткие тезисы Тамбов, 2004 С 112-113

4 Федюнин П. А. Термовлагометрический метод сканирования и обработки информативного СВЧ-поля гадающей и отраженной волн / П. А. Федюнин, В. А. Тетушкин // Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического моделирования. Материалы

докладов VII Всероссийской научно-технической конференции. Тамбов, 2004. Ч. П. С. 489 -491.

5 Дмитриев Д.А. Основы микроволновой термовлагометрии / ДА Дмитриев, П. А. Федюнин, В А Тетушкин // Тегаюфизические измерения при контроле и управлении качеством: Материалы Пятой Международной теплофизической школы: В 2 ч. Тамбов, 2004. Ч. I. С. 157 -162.

6 Тётушкин ВА Определение границ применимости термовлаго-метрического микроволнового метода по минимуму необходимой толщины строительных материалов / ВА Тетушкин // Теплофизические измерения при контроле и управлении качеством: Материалы Пятой Международной теплофизической школы: В 2 ч. Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2004. Ч. II. С.281-282.

7 Тётушкин В.А. Метод неразрушающего термовлагометрического контроля строительных материалов / В.А. Тётушкин, Д.А. Дмитриев", В.Н. Чернышов // 3-я Международная выставка и конференция "Неразру-шающий контроль и техническая диагностика в промышленности": Тезисы докладов. М., 2004< СЛ 92. ' - - "; V/

8 Тетушкин В.А. Приемно-излучающие измерительные апертуры микроволнового термовлагометрического метода / В.А. Тётушкин, П.А. Федюнин, Д.А. Дмитриев // Международная конференция "Наука на рубеже тысячелетий": Сб. научных статей по материалам конференции. Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2004. С. 147 -149.

9 Дмитриев Д.А. Неразрушающий микроволновой термовлагомет-рический метод контроля органических соединений и строительных материалов / Д.А. Дмитриев, П.А. Федюнин, В.А. Тётушкин, В.Н. Чернышов, МА Суслин // Контроль. Диагностика. 2005. № 3. (Принято к печати).

10 Положительное решение на заявку № 2004108282 ЯИ в 01 N 9/36, 22/04. Неразрушающий СВЧ-способ контроля влажности твердых материалов и устройство для его реализации / В.А. Тётушкин, П.А. Федюнин, ДА Дмитриев, В.Н. Чернышов. Заявл. 22.03.2004.

Подписано к печати 22.11.2004 Гарнитура Times New Roman. Формат 60 х 84/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Объем: 0,93 усл. печ. л.; 0,9 уч.-изд. л. Тираж 100 экз. С. 813

Издательско-полиграфический центр ТГТУ 392000, Тамбов, Советская, 106, к. 14

»2522t

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

И ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Общие сведения о влагомерах СВЧ.

1.2 Постановка задачи исследования.

2 МОДЕЛИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МИКРОВОЛНОВЫХ

ПОЛЕЙ С ВЛАЖНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ.

2.1 Аналитическая модель электрофизических характеристик свободной воды.

2.2 Модели электрофизических характеристик влажных капиллярнопористых материалов.

2.3 Методика расчета характеристик влажных строительных материалов на основе "смесевых характеристик".

2.3.1 Расчет "смесевых" характеристик ^,1°).

2.3.2 Расчет величин е'см и е"см строительных материалов

2.3.3 Определение границ применимости метода по минимуму необходимой толщины материалов.

Выводы по главе.

3 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ВОЛНОВОДНО-ЩЕЛЕВЫХ АПЕРТУРНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ С ЧАСТОТНЫМ СКАНИРОВАНИЕМ.

3.1 Основные соотношения для линейной решетки излучателей с частотным сканированием.

3.2 Канализирующие системы антенн с частотным сканированием.

3.3 Волноводно-щелевая антенна с частотным сканированием.

3.4 Конструкции измерительных волноводнощелевых антенн.

Выводы по главе.'.

4 ТЕРМОВЛАГОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД И РАЗРАБОТКА ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ВОЛНОВОДНО-ЩЕЛЕВЫХ АПЕРТУР

4.1 Термовлагометрический микроволновый метод.

4.1.1 Сущность апертурного комбинированного термовлагометрического микроволнового метода.

4.1.2 Разработка аналитической модели измерения Wn по углу Брюстера.

4.1.3 Основной алгоритм микроволновой термовлагометрии

4.2 Разработка приемно-излучающих измерительных апертур . 122 Выводы по главе.

5 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ТЕРМОВЛАГОМЕТРИИ

И МЕТРОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ.

5.1 Описание базовой конструкции приемнопередающей апертуры.

5.2 Описание устройства микроволнового термовлагометра

5.3 Методика экспериментального определения влажности

5.4 Метрологические аспекты микроволновых измерений.

5.5 Метрологическое обеспечение и выводы по метрологическому анализу термовлагометрического метода.

5.6 Термоприемники.

5.7 Техника безопасности при микроволновых измерениях . 170 Выводы по главе.

Актуальность темы. Контроль качества строительных материалов заключается в проверке соответствия их характеристик установленным требованиям. В производстве широко применяют неразрушающий контроль, позволяющий проверить качество продукции без нарушения ее целостности и использования по назначению. При этом особая роль в повышении эффективности производства и улучшении качества продукции отводится автоматическим средствам измерения.

В строительстве от влажности зависят основные свойства строительных материалов: теплофизические, теплозащитные и прочностные характеристики строительных сооружений и конструкций, их долговечность, надежность и эксплуатационные качества.

В измерении влажности широкое распространение получили микроволновые (СВЧ) методы и устройства, теория которых достаточно хорошо разработана, а также из-за очевидных преимуществ: реализация неразрушающего контроля; приемлемая точность измерения; безопасность из-за информативного взаимодействия маломощных микроволновых полей бегущих и стоячих волн с материалом, не сопровождающегося нагревом материала.

Однако практически все микроволновые методы и устройства обладают рядом недостатков:

- работают на одной (двух) стабилизированной частоте;

- неуниверсальные по виду и форме материала, чаще всего требуют индивидуальной тарировки по месту;

- во влагометрии строительных материалов не применимы двухапертурные методы свободного пространства на прохождение, резонаторные, волноводные и зондовые, позволяющие определять, в частности, только интегральную и среднюю влажности по зоне взаимодействия. Апертурные методы к тому же в реализации стационарны, громоздкие и дорогостоящие;

- одноапертурные методы на отражение пригодны не всегда, к тому же основной метод угла Брюстера позволяет определять только поверхностную влажность и не всегда имеются обоснования границ применимости методов отражения по толщине материала, отсутствуют согласования по волновым сопротивлениям - низкий коэффициент бегущей волны (КБВ) и КПД;

- в известных устройствах нет сопряжения взаимодействия микроволновых полей с материалом с возможностью их СВЧ-нагрева; процесс такого нагрева весьма информативен, дает возможность исследования, кроме влажности, совокупности других теплофизических характеристик материала, кинетики СВЧ-сушки, исследования термограмм. Сопряжение информативных возможностей маломощного взаимодействия полей с исследуемым материалом и процесса микроволнового нагрева обеспечивает одновременное измерение поверхностной влажности материала и влажности по объему взаимодействия не равных из-за нормального градиента влажности, обусловленного текущими процессами высушивания и увлажнения, т.е. необходимо измерение комплекса этих величин;

- на данный момент не исследованы информативные аспекты дисперсии диэлектрической проницаемости влажных материалов -частотные зависимости, необходимость оперативного сканирования влажности больших поверхностей;

- существует неразрешенный вопрос оптимизации выбора полосы рабочих частот.

Разрешение противоречий и задач, указанных выше, позволило разработать метод и реализующий его измерительный комплекс определения поверхностной влажности и влажности по объему взаимодействия с перспективой определения других теплофизических величин. Это стало возможным на основании теоретических и практических разработок термовлагометрического микроволнового метода.

Все приведенное выше определяет актуальность проведения исследований и разработок методов и устройств термовлагометрии строительных материалов.

Цель работы. Разработать бесконтактный неразрушающий микроволновый метод контроля поверхностной влажности и интегральной по объему материала влажности и реализующий его измерительно-вычислительный комплекс.

Методы исследования основаны на применении теории электродинамики, теории антенно-фидерных устройств, теории диэлектриков в микроволновых полях, математического моделирования и метрологии.

Научная новизна:

- разработаны физико-математические модели взаимодействия микроволновых полей с поверхностным слоем и внутренним объемом влажного материала;

- создан новый микроволновый термовлагометрический метод измерения поверхностной влажности и интегральной по объему материала влажности, в основу которого положено измерение температуры влажного материала при поглощении его локализованным минимальным объемом определенной и фиксированной дозы микроволнового излучения бегущей волны. Метод, в отличие от известных, позволяет без нарушения целостности исследуемых объектов и при одностороннем доступе к их поверхности определить указанный выше комплекс параметров с высоким быстродействием и точностью;

- разработана приемно-передающая волноводно-щелевая апертура, позволяющая реализовывать термовлагометрический метод, а также обеспечивающая минимальный объем взаимодействия с полной безопасностью от облучения из-за использования электронно-управляемой диаграммы направленности.

Практическая ценность. На основании предложенного метода разработан измерительно-вычислительный комплекс с математическим, программно-алгоритмическим и метрологическим обеспечением для определения поверхностной влажности и влажности по объему взаимодействия, использующий разработанные апертурные преобразователи с управляемой диаграммой направленности.

Реализация результатов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований диссертационной работы апробированы и рекомендованы к внедрению и в практику контроля влажности строительных материалов в ООО "Строй-Премьер", при выполнении НИР по контролю влажности антенных обтекателей по теме заданной главкомом ВВС в ТВАИИ, в учебном процессе ТГТУ.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались на Школе-семинаре молодых ученых "Метрология, стандартизация, сертификация и управление качеством продукции" (Тамбов, 2003), IV Всероссийском с международным участием научно-практическом семинаре "В мире неразрушающего контроля и диагностики материалов, промышленных изделий и окружающей среды" (Санкт-Петербург, 2003), 3-й международной конференции "Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности" (Москва, 2004), VII Всероссийской научно-технической конференции "Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического моделирования" (Тамбов, 2004), Пятой Международной теплофизической школе "Теплофизические измерения при контроле и управлении качеством" (Тамбов, 2004), Международной конференции "Наука на рубеже тысячелетий" (Тамбов, 2004).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе получено положительное решение на заявку на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, списка используемых источников, работа изложена на 182 страницах, содержит 85 рисунков, 4 таблицы и 62 наименования библиографического указателя. Автор благодарит доктора технических наук, профессора Д.А. Дмитриева и кандидата технических наук П.А. Федюнина за консультации при работе над диссертацией.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

1. Разработана приемно-передающая волноводно-щелевая апертура, позволяющая реализовывать метод измерения поверхностной влажности и по объему взаимодействия влажности, работающая в диапазоне длин волн от 0,015 до 0,02 м и обеспечивающая минимальный объем взаимодействия с полной безопасностью от облучения из-за использования электронно-управляемой диаграммы направленности.

2. Разработана, реализована и исследована информационно-измерительная система определения влажностных параметров строительных материалов, обеспечивающая реализацию нового термовлагометрического метода со следующими данными на примере красного кирпича: \УП е [0,05 -т- 0,3] объемной влажности; погрешность измерения \УП = 8 %, \У = 5 %. Система позволяет без тарировки по месту измерять влажность болыиераз-мерных строительных материалов.

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований прошли испытания и приняты к использованию в строительных организациях и внедрены в практику контроля влажности антенных обтекателей по теме заданной главкомом ВВС в ТВАИИ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведенный литературный обзор и информационный анализ показали, что отсутствуют микроволновые методы, позволяющие с большой оперативностью и достоверностью измерять влажностные характеристики боль-шеразмерных строительных изделий при одностороннем доступе к их поверхности.

2. Разработаны физико-математические модели взаимодействия микроволновых полей с поверхностным слоем и внутренним объемом влажного материала.

3. Разработан новый метод микроволновой термовлагометрии, состоящий в том, что: а) с помощью частотноуправляемой специально организованной апертуры определяют поверхностную влажность по длине волны генератора Хг при условии реализации интегральной диаграммы направленности (ДН) (диаграммы Брюстера) по минимуму отраженной мощности Ротр; б) измеряют интегральную влажность с учетом объема взаимодействия по изменению температуры I исследуемых материалов и изделий.

4. Разработана приемно-передающая волноводно-щелевая апертура, позволяющая реализовывать метод измерения поверхностной влажности и по объему взаимодействия влажности, работающая в диапазоне длин волн от 0,015 до 0,02 м и обеспечивающая минимальный объем взаимодействия с полной безопасностью от облучения из-за использования электронно-управляемой диаграммы направленности.

5. Разработан, реализован и исследован измерительно-вычислительный комплекс определения влажностных параметров строительных материалов, обеспечивающий реализацию нового термовлагометрического метода со следующими данными на примере красного кирпича: е [0,05.0,3] объемной влажности; погрешность измерения ЛУП = 8 %, = 5 %; при I = 0.40 °С. Комплекс позволяет без тарировки по месту измерять влажность болыиеразмерных строительных материалов.

6. Результаты теоретических и экспериментальных исследований прошли испытания и приняты к использованию в строительных организациях и внедрены в практику контроля влажности.

1. Берлинер М.А. Измерение влажности в диапазоне СВЧ. — М.: Энергия, 1973.- 157 с.

2. Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник / В.В. Клюев, Ф.В. Соснин, В.Н. Филинов и др./ Под ред. чл. корр. РАН, проф. В.В. Клюева. — М.: Машиностроение, 1995. 408 с.

3. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий / Справочник. Т. 1,2/Под ред. Клюева B.B. М.: Машиностроение, 1976.

4. Кричевский Е.С. Контроль влажных твёрдых и сыпучих материалов/ Е.С.Кричевский, А.Г. Волченко, С.С. Галушкин. Под ред. Е.С. Кричевского. -М.: Машиностроение, 1986. - 136 с.

5. Берлинер М.А. Влагомеры СВЧ.// Приборы и системы управления. 1970, № 11. С. 19-22.

6. Воробьёв Е.А., Калашников B.C., Негурей A.B. Измеритель радиотехнического качества диэлектрических изделий и материалов на СВЧ. Дефектоскопия.// Российская академия наук, № 9, 1993.

7. Калашников B.C., Негурей A.B. Возможности метода модулированного отражения при технологическом контроле диэлектрических изделий и материалов// Вопросы радиоэлектроники, вып.1, 1993.

8. Dtsraisses R. Controle de serie des radomes/ Revue Technique Thomson - CSF, Vol.3, №4, 1971.

9. Портативный радиочастотный измеритель затухания ПРИЗ-1. Паспорт ОП 03 - 38/89., Минск: Институт прикладной физика АН БССР, с.н.с. Н.В.Любецкий.

10. Суслин М.А, Тётушкин М.А., Чернышов В.Н., Дмитриев Д.А. Микроволновой термовлагометрический метод контроля органических соединений. // Вестник Тамбовского ГТУ, 2004, Том 10, № 2, С. 428 434.

11. Пюшнер Г. Нагрев энергией СВЧ. -М.: Энергия, 1968, 310 с.

12. Берлинер М.А. Электрические измерения, автоматический контроль и регулирование влажности. М.: Энергия. 1965, - 354 с.

13. Матис И.Г. Электроемкостные преобразователи для неразрушаю-щего контроля 2-е изд. перераб. и доп., 1982.

14. Парсел Э. Электрический магнетизм. -М.: Наука, 1975.

15. Бензарь В.К. Техника СВЧ влагометрии. - Минск: Вышейшая школа, 1974.

16. Берлинер М.А. и др. Применение диаграммы Коул-Коул во влагометрии СВЧ// Изв. вузов. Сер.приборостроение. 1973, Т. 16, № 4, С. 101 106.

17. Де Лоор Г.П. Диэлектрические свойства гетерогенных влагосодер-жащих смесей// Приборы и системы управления. 1974, № 9, С. 19 22.

18. Кинг Р., Смит Г. Антенны в материальных средах: В 2-х книгах Кн.2. Пер с англ. -М.: Мир, 1984, 248 с.

19. Казанский М.Ф. Анализ форм связи и состояние влаги, поглощенной дисперсным телом, с помощью кинетических кривых сушки. М.: «ДАН СССР», 1960, № 5.

20. Богородицкий М. П. Теория диэлектриков. М.: Госэнергоиздат, 1965,268 с.

21. Хиппель А.Р. Диэлектрики и волны. М.: Наука, 1960, 360 с.

22. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. М.: Энергия, 1982,320 с.

23. Нетушил A.B., Жуховицкий Б.Я. и др. Высокочастотный нагрев диэлектриков и полупроводников. М.: Госэнергоиздат, 1959, 468 с.

24. Бугров A.B. Высокочастотные емкостные преобразователи и приборы контроля качества. М.: Машиностроение, 1982, 94 с.

25. Брандт A.A. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. -М.: Физматгиз, 1963.

26. Stuchly S. Dielectric properties of some granular solids containing water.- J-l Microwave Power, 1970, № 2.

27. Дерягин Б.В и др. Вода в дисперсных системах. М.: Химия, 1989,288 с.

28. Франчук А.У. Таблицы теплотехнических показателей строительных материалов. М.: НИИ строительной физики Госстроя СССР. - 1969, 137 с.

29. Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование антеннофидерных устройств. М.: Энергия, 1996.

30. Сканирующие антенны СВЧ / Под ред. Дерюгина JI.H. Труды МАИ, вып.159. -М.: Изд. Машиностроение, 1964.

31. Shnitkin Н. Electronically scanned antennas. The Microwave Journ., 1960,Dec., №12, p.67.72, 1967, Jan. № l,p.57.64.

32. Воскресенский Д.И., Грановская P.A., Гостюхин В.Л. и др. Антенны и устройства СВЧ. Расчёт и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов./Под ред. проф. Д.Н. Воскресенского. Уч. пос. для вузов.- М.: Советское радио, 1972, 320 с.

33. Кюн Р. Микроволновые антенны. Пер. с нем. под ред. М. П. Долуханова. Изд-во «Судостроение», 1967.

34. Айзенберг Г.З. Антенны УКВ. -М.: Связьиздат, 1957.

35. Яцук JI. П., Смирнова Н. В. Внутренние проводимости нерезонансных щелей в прямоугольном волноводе. «Известия вузов», Радиотехника, 1967, т. X, № 4.

36. Резников Г. Б. Самолетные антенны. -М.: Сов. Радио , 1962.

37. Ширман Я.Д. Радиоволноводы и объемные резонаторы. — М.: Связьиздат, 1959.

38. Резников Г.Б. Антенны летательных аппаратов. М.: Сов. Радио,1967.

39. Пистолькорс А. А. Общая теория дифракционных антенн. ЖТФ, 1944, т. XIV, № 12, ЖТФ, 1946, т. XVI, № 1.43. «Пособие по курсовому проектированию антенн».- М.: Изд-во ВЗЭИС, 1967.

40. Вешнякова И.Е., Евстропов Г.А. Теория согласованных щелевых излучателей.// «Радиотехника и электроника», 1965, т. X. № 7.

41. Евстропов Г.А., Царапкин С.А. Исследование волно-водно-щелевых антенн с идентичными резонансными излучателями.// «Радиотехника и электроника», 1965, т. X, № 9.

42. Евстропов Г. А., Царапкин С. А. Расчет волвоводно-щелевых антенн с учетом взаимодействия излучателей по основной волне // «Радиотехника и электроника», 1966, т. XI, № 5.

43. Драбкин А.Л. и др. Антенно-фидерные устройства. М.: Радио и связь, 1974, 452 с.

44. Чернушенко A.M., Майбородин A.B. Измерение параметров электронных приборов дециметрового и сантиметрового диапазонов волн. М.: Радио и связь, 1986, 336 е., стр. 34 (ОСТ. ГО. 010.019. Трубы волноводные. Радиусы изгибов. Основные параметры и размеры.)).

45. Мол очков Ю.Б. Авиационные антеннофидерные устройства. М.: Изд. ВВИА им. Проф. Н.Е.Жуковского, 1983, 287 с.

46. Григорьев А.Д., Янкевич В.Б. Резонаторы и резонаторные замедляющие системы СВЧ. Численные методы расчёта и проектирования. -М.: Радио и связь, 1984, 248 с.

47. Марков Г.Т., Петров Б.М., Грудинская Г.П. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Сов. радио, 1979, 450 с.

48. Справочник по теплопроводности жидкости и газов /Н.Б. Варгаф-тик, Л.П. Филиппов, А.А. Тарзиманов, Е.Е. Тоцкий. — М.: Энергоатомиздат, 1990, 352 с.

49. Ривкин С.Л., Александров А.А. Теплофизические свойства воды и водяного пара. М.: Энергия, 1980, 424 с.

50. Франчук А.У. Теплотехнические показатели строительных материалов. М.: НИИ строительной физики Госстроя СССР. - 1969, 137 с.

51. Тётушкин В.А. Апертурный термовлагометрический метод контроля строительных материалов./ Труды ТГТУ. Сборник научных статей молодых ученых и студентов. Вып. 16 . Тамбов: ТГТУ, 2004, С. 200.

52. Тётушкин В.А. СВЧ метод контроля влажности органических соединений.// IX научная конференция: пленарные доклады и краткие тезисы. -Тамбов: ТГТУ, 2004, С. 328.

53. Тетушкин В.А., Федюнин П.А., Дмитриев Д.А. Приемно-излучающие измерительные апертуры микроволнового термовлаго-метрического метода // Наука на рубеже тысячелетий: материалы конференции. Тамбовский ГТУ. Тамбов: ТГТУ, 2004.

54. Анатычук Л. Термоэлементы и термоэлектрические устройства/ Справочник. Киев: Наукова думка, 1979, 768 с.

55. Золотухин А.Н. Воздействие ЭМИ на биологические объекты и физические основы защиты от него // Зарубежная радиоэлектроника. 1981, № 1, С. 91-112.