автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Разработка универсального СВЧ влагомера

БАЛТИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ РЫБОПРОМЫСЛОВОГО ФЛОТА

На правах рукописи

Р.В.Кейсель

РАЗРАБОТКА УНИВЕРСАЛЬНОГО СВЧ ВЛАГОМЕРА

Специальность 05.12.17 Радиотехнические и телевизионные системы и устройства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: к.ф.-м.н., доцент Кондратьев Е.Ф. к.т.н., доцент Ермоленко И.А.

Калининград - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 5

Глава 1 Задачи, методы и средства влагометрии ..................10

1.1. Области применения влагометрии ................................10

1.2. Методы и средства измерения содержания влаги в материалах ........................................................................14

1.3. Классификация влагомеров. Технические

требования к влагомерам ..............................................24

Глава 2 Физические и технические основы СВЧ влагометрии 29

2.1. Электродинамические характеристики влажных веществ ..................................................................................29

2.2. Методы измерения свойств веществ на СВЧ ..............42

2.3. Принципы конструирования СВЧ влагомеров ..............51

2.4. Применение открытых волноводных .резонаторов для измерения влажности ......................................................63

2.5. Обобщенная структурная схема СВЧ влагомера .... 68

Глава 3 Разработка и оптимизация конструкции

резонансного СВЧ влагомера ........................................75

3.1. Структурная схема датчика ..........................................7 5

3.2. Свойства открытых волноводных резонаторов ..........79

3.3. Экспериментальное исследование характеристик

ОВР ........................................................................8 9

3.4. Выбор способа измерения ..............................................102

3.5. Разработка и оптимизация рабочих ОВР ....................105

3.6. Детекторная секция ........................................................115

3.7. Генератор СВЧ ..................................................................120

3.8. Математическая модель и функция преобразования датчика ..............................................................................130

3.9. Блок обработки сигнала ................................................137

3.9.1. Основные принципы построения блока обработки сигнала. Выбор направления при конструировании 137

3.9.2. Структурная схема МПК ..................................................142

3.9.3. Выбор электронных компонентов МПК ..........................146

3.9.4. Программное обеспечение МПК ......................................155

1 с-з

Глава 4 Резонансные СВЧ влагомеры.....................

4.1. Лабораторный СВЧ влагомер СВР-8 ..............................163

4.1.1. Назначение и технические данные ..............................163

4.1.2. Принцип действия влагомера ........................................165

4.1.3. Датчик влажности ............................................................167

4.1.4. Блок питания ....................................................................170

4.1.5. Блок индикации ................................................................\1\

4.1.6. Микропроцессорный контроллер ........................\12

4.1.7. Блок преобразователей ..................................................174

4.1.8. Проведение измерений ....................................................176

4.2. Универсальный измеритель влажности и магнитной восприимчивости ..............................................................180

4.3. Переносной СВЧ влагомер СВР-9 ..................................182

4.3.1. Назначение и технические данные ..............................182

4.3.2. Принцип действия ............................................................183

4.3.3. Датчик влажности ............................................................185

4.3.4. Блок обработки сигнала ................................................186

4.4. Поточный СВЧ влагомер СВР-10 ....................................191

4.4.1. Назначение и технические данные ..............................191

4.4.2. Принцип действия ............................................................192

Заключение ........................................................................194

Литература ........................................................................196

Приложение 1. Государственные стандарты по

влагометрии ......................................................................212

Приложение 2. Исходный текст программы для МПК

СВЧ влагомера ................................. 214

Приложение 3. Принципиальные электрические схемы СВР-8 ...................................... 232

Приложение 4. Принципиальные электрические схемы СВР-9 ...................................... 238

Приложение 5. Принципиальные электрические схемы СВР-10 ..................................... 240

Введение

В настоящее время все увеличивающаяся интенсификация производства требует всестороннего, оперативного и точного контроля параметров технологических процессов, свойств материалов и продукции.

Тысячи специалистов в мире заняты разработкой методов и приборов для контроля состава и свойств веществ, в том числе измерителей влажности. Только для контроля твердых веществ и материалов к середине 80-х годов в нашей стране использовались около 150 тысяч влагомеров, и по оценкам экспертов, к 1995 году их количество должно было возрасти в 6 раз. Тогда же функционировало около 3-х тысяч стандартов и других нормативных документов, регламентирующих нормы влажностного состояния веществ, методики измерения влажности, технические требования к влагомерам, методы их испытаний и поверки [10].

На практике основным методом измерения влажности, как правило, является высушивание до постоянной массы (термическая сушка). Этот метод определен в качестве стандартного рядом ГОСТов (см. Приложение 1) и обладает во многих случаях достаточной точностью. Однако не лишен ряда серьезных недостатков. Он имеет очень низкую производительность (при соблюдении технологии высушивания результаты измерений могут быть получены только через 1-2 суток) , с трудом поддается автоматизации и требует высокой квалификации персонала. Перечисленные недостатки сильно ограничивают, а в ряде случаев делают невозможным (например, в системах автоматизированного управления производственными процессами) использование термической сушки. Поэтому средства измерения влажности продолжают постоянно привлекать внимание исследователей и разработчиков, и в настоящее время можно насчитать не один десяток влагомеров всевозможных конструкций, использующих различ-

ные принципы измерения. Из всего многообразия методов измерений одним из самых перспективных является СВЧ-влагометрия. Как показывает анализ мирового уровня решения проблемы, использование микроволн для измерении влажности обеспечивает ряд решающих преимуществ.

История развития СВЧ-влагометрии насчитывает более 40 лет. Первые работы, сыгравшие важную роль в развитии этого направления и защищенные авторскими свидетельствами, были выполнены в 1956-57 г.г. ленинградским инженером Ю.Э. Недзвецким. В 1958 г. был запатентован первый американский СВЧ влагомер, с 1959 г. появляются английские, а с 1960 г. - немецкие (ФРГ) публикации по применению микроволновых влагомеров.

За сорок лет техника СВЧ проделала путь от массивных волноводов и неэкономичных вакуумных приборов до микропо-лосковых линий и гибридных интегральных схем. Вместе с ней развивались и совершенствовались СВЧ влагомеры. Развитие СВЧ влагометрии и смежных с ней направлений, объединенных сферой применения термина "диэлькометрия", отражено в ряде книг (см., например [4, 7, 8, 14-16] и обзорных работ, множестве оригинальных статей и мощном патентном обеспечении.

Однако многообразие существующих в настоящее время измерителей влажности различной конструкции и назначения, использующих различные физические принципы, включая и диэлектрическую спектроскопию, пока не позволило снять все проблемы в этой области. Совершенный и универсальный СВЧ влагомер создать так и не удалось. В данной работе сделана попытка приблизиться к решению этой задачи.

Основной целью работы является разработка базовой модели СВЧ влагомера, обладающего максимальной универсальностью, допускающего модификацию, расширение сферы применения и пригодного для массового серийного изготовления. Основным требованием является улучшение техниче-

ских характеристик и уменьшение стоимости разработки по сравнению с существующими отечественными и зарубежными аналогами. Для достижения этой цели поставлены и решены следующие задачи:

• Анализ и обобщение теоретических основ и принципов измерения свойств диэлектриков, в том числе влажности, на СВЧ.

• Обзор и сравнительный анализ существующих методов и средств измерения влажности; оценка уровня развития техники в области СВЧ влагометрии.

• Определение общих принципов конструирования и разработка обобщенной структурной схемы СВЧ влагомеров.

• Анализ последних изменений на отечественном и зарубежном рынке комплектующих, технологии проектирования, изготовления и эксплуатации продукции радиоэлектронного приборостроения.

• Разработка и оптимизация конструкции узлов СВЧ влагомера.

• Разработка, изготовление, настройка и испытания опытных образцов влагомеров.

• Разработка программного обеспечения для микропроцессорного контроллера СВЧ влагомеров.

В главе 1 сформулированы основные задачи и обоснована важность влагометрии. Выполнен сравнительный анализ существующих методов измерения влажности с целью показать их преимущества и недостатки и выделить наиболее целесообразные области применения СВЧ влагометрии. Для выявления тенденций в конструировании и уровне развития техники сведены в таблицу наиболее значимые разработки влагомеров и близкой контрольно-измерительной аппаратуры за последние два десятилетия. На основании требований ГОСТов и уровня существующих аналогов сформулированы основные требования к измерителям влажности, определена обобщенная

структурная схема и принципы конструирования СВЧ влагомеров .

Глава 2 посвящена анализу и обобщению теоретических основ и принципов измерения влажности и других свойств диэлектриков на СВЧ. В этой главе рассмотрены электродинамические свойства различных веществ и показано, что многочисленные применения СВЧ для контроля и измерения влажности веществ, материалов и изделий основаны на существовании корреляционной зависимости между влажностью и комплексной диэлектрической проницаемостью (КДП) исследуемого объекта. Отмечается, что на КДП оказывает влияние множество различных факторов: физико-химический состав, частота электромагнитного поля, содержание влаги, температура, размер частиц, составляющих среду, пористость, наличие различных примесей, например, растворимых солей или органических соединений и т.д. Определены направления для уменьшения и компенсации влияния дестабилизирующих факторов.

В главе 3 описывается процесс разработки и оптимизации конструкции базовой модели влагомера. Разработка ведется в соответствии с определенной в предыдущей главе обобщенной структурной схемой. При этом проводится подробное обоснование выбора и оптимизация каждого элемента схемы. Особое внимание уделяется чувствительному элементу. Проведены исследования свойств разработанных чувствительных элементов для различных типов влагомеров. Оценено влияние отдельных параметров чувствительного элемента на его характеристики. Большое внимание уделено разработке алгоритмов программного обеспечения для влагомера. В Приложении 2 приводится исходный текст разработанной программы для СВЧ влагомера на языке ассемблера.

В главе 4 дано подробное описание лабораторного, переносного и поточного влагомеров, а в приложениях 3, 4, 5 приводятся их принципиальные электрические схемы.

Основные положения, выносимые на защиту:

1.Результаты исследований свойств и характеристик

ОВР.

2.Чувствительные элементы (ЧЭ) для СВЧ влагомеров в виде ОВР, отличающиеся односторонним доступом к образцу, максимально широким диапазоном измеряемых значений влажности (0-100%), универсальностью (возможно использование в лабораторных, переносных и поточных влагомерах) и технологичностью изготовления.

3.Датчик влажности для универсального резонансного СВЧ влагомера, содержащий генератор, работающий на фиксированной частоте, проходную детекторную секцию, ОВР и реализующий двухпараметрический метод измерений.

4.Математическая модель, включающая систему уравнений, интерпретирующих последовательность преобразований в датчике влажности.

5.Общая структурная схема универсального резонансного СВЧ влагомера и опытные образцы лабораторного (СВР-8, СВР-8М), переносного (СВР-9) и поточного (СВР-10) влагомеров .

6.Алгоритмы и системное программное обеспечение для СВЧ влагомеров.

При написании работы использовался обширный материал работ по исследованию свойств диэлектриков в диапазоне СВЧ и конструированию СВЧ влагомеров, выполненных на кафедре квантовой радиофизики КГУ в соавторстве с ее сотрудниками, аспирантами, дипломниками, каждому из которых автор приносит свою благодарность.

1. Задачи, методы и средства влагометрии

1.1. Области применения влагометрии

Влагомеа?рия представляет собой совокупность методов и средств, с помощью которых характеризуют влажностное состояние твердых и жидких веществ и материалов (ГОСТ 8.221-76). Соседнюю область метрологии, изучающую влажность газов (воздуха), называют гигрометрией.

Спектр областей, где измерение и контроль влажности является важной и обязательной задачей, очень широк. Это цементная, горно-обогатительная, торфяная, деревообрабатывающая, бумажная, химическая, лакокрасочная, пищевая, фармацевтическая, молочная, текстильная, табачная, эфирно-масличная промышленность, производство керамики и строительных материалов, топливно-энергетический комплекс, сельское хозяйство, мелиорация, инженерная морская и сухопутная геология, экологический мониторинг, различные сферы фундаментальных и прикладных научных исследований .

Объектами влагометрии могут быть жидкие, твердые, сыпучие, пастообразные, газообразные вещества и материалы; изделия правильной (листы, пленки, стержни и т.п.) и неправильной или неопределенной формы.

Точное и быстрое определение влагосодержания веществ важно по следующим причинам:

• качество, стоимость, условия хранения и транспортирования, потребительские свойства и эксплуатационные характеристики многих материалов, изделий и сырья зависят от их влажности;

• многие производственные процессы в различных отраслях промышленности выполняются с использованием воды, и непрерывный контроль влажности исходного,

промежуточного и конечного продукта необходим для управления процессами и экономии воды;

• удаление излишней влаги - энергоемкая операция, и контроль влажности позволяет снизить потери энергии;

• измерение влагосодержания природных объектов (грунтов, почв, растительной массы) дает важную информацию о состоянии окружающей среды и процессах, в ней происходящих.

Можно утверждать, что почти все вещества, независимо от их природы и агрегатного состояния, содержат в своем составе воду. В зависимости от природы ее связи с веществом различают воду химически связанную, растворенную, кристаллизационную, эмульгированную, адсорбированную, окклюдированную, капиллярную и др.

Для подтверждения сказанного можно привести несколько примеров.

Морская и инженерная геология рассматривают влажность как важнейший параметр, характеризующий осадочные породы. Измерение влажности морских донных осадков является важной частью фундаментальных исследований по изучению Мирового океана. Полученные при этом данные помогают отслеживать и моделировать глобальные климатические и геологические изменения на планете.

В некоторых отраслях определение влажности требует серьезных усилий и затрат. Например, оперативная информация о влажности грунтов и почв необходима проектировщикам транспортных трасс и любых сооружений, мелиораторам, работникам сельского хозяйства и т.д. Подобные измерения осуществляют в основном межхозяйственные подразделения -изыскательские партии инженерно- или гидрогеологической специализации. Отбор проб на местах производят выездные бригады. Наиболее распространенным методом до сих пор ос-

тается трудоемкая и продолжительная сушка. В лучшем случае данные измерений получаются только через 1...2 суток.

Основными задачами орошаемого земледелия являются: периодический контроль влажности корнеобитаемого слоя почвы; оценка влагообеспеченности сельскохозяйственных культур; корректировка влагозапасов; контроль качества полива. О важности этих задач можно судить, ознакомившись с описанием экспресс-влагомера почв ЭВК [89] Этот прибор реализует метод определения влажности по давлению газа, выделяющегося при реакции карбида кальция СаСг с физически свободной водой. Прибор прост, дешев, транспортируется в походной сумке массой не более 7 кг вместе со всеми аксессуарами и дневным запасом реагента. Реагент - мелкодисперсный порошок карбида кальция с огнетушащими присадками предназначен для использования только на приборах типа ЭВК. Порядок работы с прибором включает операции: установку и нивелирование взвешивающего устройства; подготовку к работе анализатора; отбор образцов почвогрунта, его взвешивание (13 или 26 г в зависимости от влажности); засыпку реагента (1 или 2 ложки) в колбу анализатора; сборку и герметизацию камеры; перемешивание образца с реагентом в течение приблизительно одной минуты встряхи-вающе-вращательным перемещением анализатора; снятие показаний ма�