Анализ и классификация разработанных микроволновых методов и устройств неразрушающего контроля веществ, материалов и изделий. Часть I

УДК 543.812: 697.93

АНАЛИЗ И КЛАССИФИКАЦИЯ РАЗРАБОТАННЫХ МИКРОВОЛНОВЫХ МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ВЕЩЕСТВ, МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ. ЧАСТЬ I

П.А. Федюнин, Д.А. Дмитриев

Тамбовское высшее военное авиационное инженерное училище радиоэлектроники

Представлена членом редколлегии профессором Ю.Л. Муромцевым

Ключевые слова и фразы: волноводы; волновое сопротивление; диэлектрическая проницаемость; магнитная проницаемость; микроволновые методы измерений; неразрушающий контроль; поверхностная волна; термовлагометрия.

Аннотация: Представлен анализ и многосвязанная классификация разработанных авторами микроволновых методов и устройств неразрушающего контроля веществ, материалов и изделий, адекватно систематизирующая их по необходимым рубрикам классификатора и представляющая возможность эффективного решения поставленной метрологической задачи измерения параметров сред.

В последние десять-пятнадцать лет существенно возрос интерес к теоретическим и экспериментальным аспектам измерения электрофизических параметров сред, материалов и изделий микроволновыми волноводными методами. До последнего времени это развитие ограничивалось идеями практической методологии, определяемой основной работой [1], систематизированное в справочном пособии [2].

В начальный период наше внимание привлекли очевидные достоинства измерения электрофизических параметров волноводными средствами, такими как:

- множество информативных, ранее не применяемых в метрологических целях, эффектов взаимодействия направляемых электромагнитных волн с анализируемой средой в металлических, диэлектрических волноводах и волноводах поверхностных волн таких как, например:

а) в металлических волноводах - информативная совокупность эффектов взаимодействия поля бегущей электромагнитной волны с намагниченными ферромагнитными жидкостями [3 - 11];

б) в диэлектрических волноводах - информативные возможности измерения недиссипативного радиального коэффициента ослабления [8, 12 - 16];

в) в волноводах поверхностных волн - решение оптимизационных задач сканирования больших поверхностей диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытий на металлической поверхности (подложки) [17 - 20], микроволновые апертурные волноводные методы, основанные на совмещении волноводнощелевых приемо-передающих антенн (ВВЩА) с электронно-управляемой диа-

граммой направленности (ДН), обеспечивающих управляемую локализацию зоны электромагнитного взаимодействия с материалом, комплекс влажностных параметров которых определяет интерес [21 - 25];

- полная электромагнитная совместимость;

- настоятельная необходимость измерения параметров в частотном диапазоне средств определения, индикации и идентификации объектов из-за частотной дисперсии параметров в миллиметровом и сантиметровом диапазонах;

- благоприятное поле решения не разрешенных ранее конструктивнооптимизационных задач при конструировании волноводных апертурных преобразователей;

- отсутствие до сих пор удовлетворительного решения задачи согласования.

К настоящему времени указанная выше совокупность задач в основном нашла свое решение. В настоящей статье сделана попытка многопараметрической многосвязанной классификации разработанных нами методов и устройств, позволяющая, на наш взгляд, разработчикам и метрологам адекватную ориентацию в большом количестве методов и устройств по необходимым рубрикам классификатора, таких как, например: измеренная величина, информативный параметр, пределы и диапазоны их изменений и т.д. Это дает возможность эффективного выбора для решения конкретной задачи соответствующих метода и устройства.

На рис. 1 дана общая классификация измерительных волноводных методов.

Рис. 1 Общая классификация измерительных волноводных методов

1 Классификация измерительных преобразователей на регулярных волноводах (отрезках волноводов).

Нами были рассмотрены [16] методические основы проектирования первичных измерительных преобразователей состава и свойств дисперсных сред на отрезках металлических волноводов, где подробно были проанализированы вопросы оптимального соотношения массогабаритных показателей волноводных первичных измерительных преобразователей состава и свойств намагниченных ферромагнитных жидкостей (ФМЖ), основные положения которых сведены в табл. 1.

В выборе способа измерения и вида волноводного преобразователя необходимо учитывать следующие аспекты:

- для обеспечения минимума неинформативных потерь (потерь на излучение) следует обеспечить минимум отношения площади сечения трубопровода ввода ФМЖ к площади поперечного сечения волновода;

- минимальные потери на отражение возможны при адаптивно согласованной нагрузке;

- габариты магнитной системы и системы управления током подмагничи-вания;

- минимизацию массогабаритного показателя.

Рассмотрим классификацию измерительных преобразователей на диэлектрических волноводах (рис. 2).

1 По измеряемому параметру:

а) измерители действительной части диэлектрической проницаемости е' и параметров, связанных с ее изменением: концентрации диэлектрических частиц и влажности Ж материала;

б) измерители магнитной проницаемости, ее действительной части ц' - по углу поворота плоскости поляризации электромагнитной волны НЕи (реализация эффекта Фарадея): измерение концентрации ФМЧ, либо измерение ц' по следующему алгоритму:

- возбуждение на длине волны генератора вдоль диэлектрического волновода волны Е01;

- измерение в нормальной плоскости относительно направления распространения волны коэффициента затухания аг1;

- возбуждение на длине волны генератора Ар2 вдоль диэлектрического волновода волны Н01;

- измерение в нормальной плоскости относительно направления распространения волны коэффициента затухания аг2;

- по значениям аГ1 и аг2 определяют произведение е'ц', коэффициенты фазы волн 0! и р2, а затем и е', ц', используя параметрическую связь (через концентрацию ФМЧ) величин е' = / (т') [20, с. 112 - 114];

в) измерители мнимой части диэлектрической проницаемости е" - измерение параметров диэлектриков с омическими потерями - СВЧ кондуктометрия с учетом дисперсии е" и влагометрия материала по величине мнимой части диэлектрической проницаемости е". Основной вид волны в таких преобразователях НЕи при отсутствии поля подмагничивания Н0 = 0;

г) измерители мнимой части магнитной проницаемости т" - измерение параметров диэлектриков с гиромагнитными потерями используемых в частности в производстве радиопоглощающих покрытиях. Основной вид волны в таких преобразователях НЕц при величине поля подмагничивания Н0 > 0;

д) измерители комплексной величины волнового сопротивления /&в и теплофизических характеристик материала.

S5S ISSN 0136-5835. Вестник ТГТУ. 2005. Том 11. № 4. Transactions TSTU.

ISSN 0136-5835. Вестник ТГТУ. 2005. Том 11. № 4. Transactions TSTU. 859

860 ISSN 0136-5835. Вестник ТГТУ. 2005. Том 11. № 4. Transactions TSTU.

ISSN 0136-5835. Вестник ТГТУ. 2005. Том 11. № 4. Transactions TSTU. 861

862 ISSN 0136-5835. Вестник ТГТУ. 2005. Том 11. № 4. Transactions TSTU.

ISSN 0136-5835. Вестник ТГТУ. 2005. Том 11. № 4. Transactions TSTU. 863

864 ISSN 0136-5835. Вестник ТГТУ. 2005. Том 11. № 4. Transactions TSTU.

2 По диапазону и виду моды

Широкодиапазонные на моде НЕ11 и узкодиапазонные ПИП на осесимметричных модах Н01 и Е01.

3 По виду рабочей моды

При одномодовом режиме: НЕ11; Н01; Е01 и алгоритму смены этих мод при многомодовых режимах раздельного возбуждения и существования в отсутствии высших мод.

4 По информативному параметру

- устройства определения коэффициента затухания ar поля в нормальной относительно направления распространения волн плоскости;

- устройства определения коэффициента затухания az поля в вдоль направления распространения волны;

- устройства определения величины угла поворота плоскости поляризации 8 или величины поля подмагничивания Н0 >0;

- устройства определения величины угла полного преломления падающей волны угла Брюстера 8Бр с учетом конечной ширины управляемой ДН.

5 По способу возбуждения моды

- комбинация конусной апертуры и волновода;

- волноводно-щелевая антенна со всеми возможными вариантами для измерения Т ФХ: управляя зоной нагрева во времени и пространстве в непрерывном и импульсном режимах.

6 Режим работы ГСВЧ

а) непрерывный;

б) непрерывный с АМ, УМ;

в) импульсный;

г) импульсно-модулированный.

В табл. 2 приведена матрица соответствия по классификации ПИП на диэлектрических волноводах.

Основными технологическими недостатками измерителей на диэлектрических волноводах является трудность сопряжения возбуждения поверхностной волны (с приемным согласованием и минимумом мощности быстрых волн) и ввода материальных потоков в диэлектрический волновод (нельзя сопрягать возбудитель и устройство ввода жидкости), невозможность байпасного ввода. Применение специальной волноводной щелевой антенны не только разрешает вышеуказанные трудности, но и позволяет осуществлять измерения влажности в потоке жидкой среды методом микроволновой термовлагометрии в диэлектрическом волноводе [25].

2 Классификация измерительных преобразователей на нерегулярных волноводах (замедляющие системы - ЗС) с неоднородностями.

Первичные измерительные преобразователи на нерегулярных волноводах представляют из себя сопряжение диэлектрического волновода с волноводно-замедляющей структурой или спирали. Классификация ПИП на нерегулярных волноводах приведена на рис. 3.

Список литературы

1 Брандт, А. А. Исследование диэлектриков на СВЧ. - М.: ГИФМЛ, 1963. -360 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 Патент РФ № 2182327, МКл 6 001Ш5/06. СВЧ способ определения концентрации ферромагнитных частиц / Федюнин П.А., Дмитриев Д.А., Сус-лин М.А., Макаров Н.В. (РФ). - № 99123478/09; Заявл. 09.11.99; Опубл. 10.05.02, Бюл. № 13.

4 Федюнин, П.А. Определение концентрации ФМЧ при поперечном намагничивании / П.А. Федюнин, Д.А Дмитриев, М.С. Римский // Материалы 6-й Всероссийской НТК «Повышение эффективности методов и средств обработки информации». -Тамбов: ТВАИИ, 2000.

5 Дмитриев, Д.А. Волноводные методы и устройства измерения электрофизических параметров специальных ферромагнитных жидких сред: Сообщения 1-6 / Д. А. Дмитриев, П. А. Федюнин; ТВАИИ. - Тамбов, 2000. - Деп. в ЦСИФ МО РФ 27.01.2000, № В 4437-4442.

6 Заявка 95106337/25(011549) РФ, МКИ 001Ш5/06. Устройство для измерения диэлектрической проницаемости жидкости / Д.А. Дмитриев, П.А. Федюнин, М.А Суслин.П.А.; заявитель Тамбовский ВАИИ // Положительное решение на выдачу патента от 24.09.96.

7 Патент РФ № 2170418, МКл 6 00Ш22/00, 27/02. Способ определения концентрации ФМЧ в жидкости и магнитной восприимчивости в диапазоне СВЧ / Федюнин П.А., Дмитриев Д.А, Суслин М.А. (РФ). - № 99108324/006585; Заявл. 21.09.99; Опубл. 10.07.01, Бюл. № 21.

8 Патент РФ № 2182327, МКл6 001Ш5/06. СВЧ способ определения концентрации ФМЧ / Федюнин П.А., Дмитриев Д.А, Суслин М.А., Макаров Н.В. (РФ).- № 99123478/09; Заявл. 09.11.99; Опубл. 10.05.02, Бюл. № 13.

9 Патент №2228519, МКл6 001Ш5/06/ Способ определения концентрации ферромагнитных частиц и продолговатых доменов в жидкости в диапазоне СВЧ / Федюнин П.А., Дмитриев Д.А. (РФ). - №2002109365. Заявл. 0.5.06. 02, Опубл.10.06.04. Бюл. №13.

10 Патент РФ № 2090860, МКл6 001Ш5/06. Устройство для измерения концентрации ферромагнитных частиц в жидкости / Дмитриев Д.А, Федюнин П.А., Суслин М.А., Степаненко И.Т.(РФ). - № 94007037; Заявл. 24.02.94; Опубл. 20.09.97, Бюл. № 26.

11 Федюнин, П. А. Методы повышения точности и селективности поляризационных волноводных устройств контроля / П.А. Федюнин, Д.А Дмитриев, М.А. Суслин, Н.В. Макаров // Материалы 6-й Всероссийской НТК «Состояние и проблемы измерений». - Москва.: МГТУ им. Баумана, 1999.

12 Федюнин, П.А. Диэлектрический волновод поверхностных волн как первичный измерительный преобразователь электрофизических параметров гетерогенных жидких сред / П.А. Федюнин, Д.А. Дмитриев, Д.С. Бугаев // Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Информационные системы и технологии ИСТ-2002». - Н.Новгород, 2002.

13 Патент №2194270, МКл6 00Ш22/04. Способ бесконтактного определения диэлектрической проницаемости и удельной электропроводности жидких сред / Дмитриев Д.А, Федюнин П.А., Суслин М.А. (РФ). - №2001102807. За-явл.01.03.01, Опубл.10.12.02. Бюл. №34.

14 Заявка 2003106527 РФ, МКИ 001Ш5/06. СВЧ способ определения концентрации и электрофизических параметров ФМЧ в жидком носителе / П.А.Федюнин, Д.А. Дмитриев, В.С. Макаров; заявитель Тамбовский ВАИИ // Положительное решение на выдачу патента от 07.03.03.

15 Федюнин, П.А. Концентратомер ферромагнитных частиц на основе Н-плоскостного У-циркулятора / П. А. Федюнин, С. А. Алешкин, М. А. Римский, С.В. Комиссаров; ТВАИИ. - Тамбов, 2000. - Депонирована в ЦСИФ МО РФ 04.04.2000, спр. № 10845.

16 Федюнин, П.А. Методические основы проектирования волноводных преобразователей состава и свойств дисперсных сред / П.А.Федюнин, Д.А. Дмитриев // Материалы Международной научной конф. «Информационные технологии в естественных науках, экономике и образовании». - Энгельс; 2002.

17 Патент №2256115, МПК7 00Ш22/02, 00Ж27/26. СВЧ способ локализации неоднородностей диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытий на металле и оценка их относительной величины / П. А. Федюнин, Д. А. Дмитриев, С.Р. Каберов (РФ); №2003126856/09. Заявл. 01.09.03. Опубл. 10.07.05. Бюл. №19.

18 Патент №2251073, МПК7 001В15/02, 00Ж27/26. СВЧ способ измерения магнитодиэлектрических параметров и толщины спиновых покрытий на металл / Федюнин П.А., Кареев Д.В., Дмитриев Д.А., Каберов С.Р.(РФ). - №2002105214/28. Заявл. 12.08.02. Опубл. 27.04.05. Бюл. №12.

19 Патент №2249178, МПК7 001В15/02, 00Ж27/26. СВЧ способ определения комплексной диэлектрической проницаемости и толщины диэлектрических пластин / Федюнин П.А., Каберов С.Р., Дмитриев Д.А., Федоров Н.П. (РФ). -

№2003106528/28. Заявл. 07.03.02. Опубл. 27.03.05. Бюл. №9.

20 Дмитриев, Д. А. Поверхностные волны и микроволновые устройства контроля электрофизических параметров магнитодиэлектрических покрытий на металле: монография / Д.А. Дмитриев, Н.П.Федоров, П.А.Федюнин, В.А Русин. - М.: Машиностроение-1, 2004. - 196 с.

21 Заявка 2004108282. Неразрушающий СВЧ-способ контроля влажности твердых материалов и устройство для его реализации / В.А. Тетушкин, П. А. Федюнин, Д. А Дмитриев, В.Н. Чернышов. Заявитель Тамбовский ГТУ // Положительное решение на выдачу патента от 03. 08. 05.

22 Заявка 2004115898. Неразрушающий СВЧ-способ измерения поверхностной влажности твердых материалов, влажности по объему взаимодействия, нормального к поверхности градиента влажности и устройство для его реализации / В.А. Тетушкин, П.А. Федюнин, Д.А. Дмитриев, В.Н. Чернышов. Заявитель Тамбовский ГТУ // Положительное решение на выдачу патента от 12. 07. 05.

23 Дмитриев, Д. А. Неразрушающий микроволновой термовлагометрический метод контроля органических соединений и строительных материалов/ Д.А. Дмитриев, П.А. Федюнин, В.А. Тетушкин, В.Н. Чернышов, М.А Суслин // Контроль. Диагностика. 2005, №4.

24 Дмитриев, Д. А. Основы микроволновой термовлагометрии / Д. А. Дмитриев, П.А. Федюнин, В.А. Тетушкин // Материалы VI Международной теплофизической школы «Теплофизические измерения при контроле управления качеством» (20-24 сентября 2004 г.). - Тамбов: ТГТУ, 2004. Ч1. - С. 160-168.

25 Федюнин, П.А. Микроволновая термовлагометрия / П.А. Федюнин, Д.А. Дмитриев, А.А. Воробьев, В.Н. Чернышов. - М.:Машиностроение-1, 2004. -230 с.

26 Федюнин, П.А. СВЧ методы и устройства измерения электрофизических параметров жидких диэлектриков с потерями: дис. ... канд. техн. наук -М.: МГУИЭ, 1997. - 230 с.

27 Федюнин, П.А. Неразрушающий метод локального определения параметров неоднородностей радиопоглощающих материалов и покрытий / П.А. Федюнин, М.А. Суслин, Д.В. Карев, С.Р. Каберов // Измерения, контроль, информатизация: Материалы междунар. науч. конф. (12 апреля 2001 г.) - Барнаул: БГУ, 2001. С. 89-91.

28 Федюнин, П.А. Контроль и сканирование волнового сопротивления магнитодиэлектрических защитных покрытий на металле / П.А. Федюнин, Д. А. Дмитриев, Н.П. Федоров, С.Р. Каберов // Контроль. Диагностика. 2005, №11.

Analysis and Classification of Developed Microwave Methods and Equipment for Non-Destructive Control of Properties, Materials and Products. Part I

P.A. Fedyunin, D.A. Dmitriev

Tambov Higher Military Aviation Engineering School of Radioelectronics

Key words and phrases: waveguides; wave resistance; dielectric penetrability; magnetic penetrability; microwave methods of measurements; non-destructive control; surface wave; thermo-moisture meter.

Abstract: Multi-connected classification systemizes developed by the authors microwave methods and equipment of non-destructive control for properties, materials and products into appropriate rubrics of classifier, thus presenting an opportunity to solve effectively the metrological task of measuring the media parameters.

Klassifikation der erarbeiteten Mikrowellenmethoden und der Einrichtungen der Unbruchkontrolle von Stoffen, Materialien und Erzeugnissen. Teil I

Zusammenfassung: Es ist die Mehrfachklassifikation der von den Autoren erarbeiteten Methoden und Einrichtungen der Unbruchkontrolle von Stoffen, Materialien und Erzeugnissen dargelegt. Diese Klassifikation systematisiert sie nach den nötigen Klassifikatorrubriken und gibt die Möglichkeit, die gestellte metrologische Aufgabe der Messung der Medienparameter effektiv zu lösen.

Classification des méthodes des micro-ondes élaborées et des dispositifs du contrôle non-destructif des substances, des matériaux et des produits. Première partie

Résumé: Est proposée la classification multiconnexe des méthodes des microondes élaborées par les auteurs ainsi que des dispositifs du contrôle non-destructif des substances, des matériaux et des produits qui les regroupe de la manière adéquate d’après les rubriques nécessaires du classificateur et qui présente la possibilité de la résolution efficace du problème métrologique posé - les mesures des paramètres des milieux.