ПОТОЧНЫЙ СВЧ-ВЛАГОМЕР

Предлагаемая полезная модель относится к области измерительной техники и может использоваться для определения влажности различных материалов в технологическом потоке, в том числе жидких, газообразных, сыпучих с различной степенью дисперсности частиц. Такими материалами могут быть нефть, технические жидкости, природный газ, криогенные среды, строительные сыпучие и жидкие материалы, химические и пищевые сыпучие продукты, зерновые продукты.
Известны устройства для измерения влажности материалов, основанные на измерении ее электрофизических параметров с применением радиочастотных датчиков (патенты США №4862060, М. кл. G01N 22/00; №4996490, М. кл. G01R 27/04, G01N 22/00; №5157339, М. кл. G01N 22/00; №3933030, М. кл. G01N 9/00, N 5103181, кл. 324-637, 92 г.), Авторское свидетельство СССР №271104, кл. G01N 23/24, опубл. Бюл. №17, 12.05.1970 г.
Недостатком этих устройств является узкий диапазон измерений, зависящий от выбранной толщины контролируемого материала, и зависимость точности результатов измерения влажности от неоднородностей в потоке материала, обусловленных фракционным составом сыпучих материалов, различной степенью смешивания различных жидкостей в воде (например, в нефтепроводах может присутствовать одновременно нефтеводяная эмульсия и раздельно нефть и вода), неравномерностью распределения воды в объеме материалов, неравномерностью потока по влажности во времени.
Наиболее близким (прототип) является устройство для определения параметров диэлектрических материалов, содержащее источник электромагнитной энергии, измерительный блок, подключенный к вычислительному блоку, и измерительную секцию в виде отрезка трубы, снабженного элементами возбуждения и съема электромагнитной энергии, соединенными соответственно с источником электромагнитной энергии и измерительным блоком (Патент РФ №2131120, МПК G01N22/00).
Основным недостатком прототипа также является узкий диапазон измерений, зависящий от выбранной толщины контролируемого материала, и зависимость точности результатов измерения влажности от неоднородностей в потоке материала, обусловленных фракционным составом сыпучих материалов, различной степенью смешивания различных жидкостей в воде (например, в нефтепроводах может присутствовать одновременно нефтеводяная эмульсия и раздельно нефть и вода), неравномерностью распределения воды в объеме материалов, неравномерностью потока по влажности во времени. Покажем это.
В наиболее общем виде связь между параметрами электромагнитного поля и среды, с которой оно взаимодействует, описывается уравнениями Максвелла (Н.Н. Федоров. Основы электродинамики, М.: Высшая школа, 1980).
Решения этих уравнений для случая падения плоской волны на плоскопараллельный слой однородного диэлектрика бесконечной протяженности имеют вид
где А, ϕ, R, ψ - соответственно ослабление, фазовый набег проходящей волны, коэффициент отражения и фаза отраженной волны,
0
β - коэффициент фазы вакуума,
α, β - коэффициенты ослабления и фазы материала соответственно,
- толщина материала.
Из (2) следует, что по любому параметру СВЧ-волны можно судить о влажности материала. При измерениях по параметрам проходящей через материал волны диапазон измерения определяется толщиной материала  и коэффициентами ослабления α или фазы β материала. Начиная с определенной влажности, α и β становятся такими, что при заданной толщине материала  прошедший СВЧ-сигнал не поддается измерению, т.к. его амплитуда становится ниже уровня шумов элементов измерительного блока.
Рассмотрим влияние неоднородностей.
Пусть направление распространения электромагнитной волны совпадает с осью z, перпендикулярной плоскости осей x, y.
Разложим вектор  в плоскости x, y по двум взаимно перпендикулярным направлениям. При этом имеем
a
a
a
а
1
2
1
2
1
2
где t - время, , , ϕ, ϕ - действительные амплитуды и фазы ортогональных проекций вектора . Если отношение амплитуд ,  и сдвиг фаз между ними в любой точке пространства в контролируемом материале не изменяются во времени, то электромагнитная волна эллиптически поляризована.
Определим, как изменяется положение вектора  в плоскости x, y. Исключая из соотношения (3) временной множитель, получим
2
1,
, где Δ=ϕ-ϕ
a
a
1
2
уравнение эллипса. При = эллипс вырождается в окружность.
(Виноградова М.Б., Руденко О.В., Сухоруков А.П. Теория волн, М: Наука, 1979, с. 40-41).
a
а
a
а
a
a
1
2
1
2
1
2
Однако условие постоянства отношения амплитуд ,  и сдвига фаз между ними в любой точке пространства в контролируемом материале выполняется только при лабораторных измерениях в отобранных пробах, т.к. при этом материал неподвижен. В потоке же амплитуды ,  и сдвиг фаз между ними Δ зависят от времени, т.е. (t), (t) и Δ(t). При этом проходящая электромагнитная волна становится неполяризованной (все положения вектора  в плоскости x, y равновероятны). (Виноградова М.Б., Руденко О.В., Сухоруков А.П. Теория волн, М: Наука, 1979, с. 41).
Техническим результатом предполагаемой полезной модели является расширение диапазона измерений и повышение точности измерений влажности материала в потоке.
Данный технический результат достигается тем, что в поточном СВЧ-влагомере, содержащем источник электромагнитной энергии, измерительный блок, подключенный к вычислительному блоку, измерительную секцию в виде отрезка трубы, снабженную элементами возбуждения и съема электромагнитной энергии, выполненными в виде рупорных антенн, расположенных в направлении, перпендикулярном движению потока с внешних противоположных сторон измерительной секции в виде отрезка трубы, соединенными соответственно с источником электромагнитной энергии и измерительным блоком, внутри измерительной секции в виде отрезка трубы дополнительно введена диэлектрическая пластина, расположенная в центре трубы по ее оси в направлении движения потока между элементами возбуждения и съема электромагнитной энергии, выполненными в виде рупорных антенн.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в следующем.
а
2
2
y
1
1
x
Если в датчике поточного СВЧ-влагомера между передающей и приемными антеннами установить однородную диэлектрическую пластину в плоскости, параллельной движению материала, как показано на фиг. 1, амплитуда  и фаза ϕ составляющей E в любой точке диэлектрической пластины не зависят от времени, а α, ϕ составляющей (E) изменяются во времени из-за неоднородности потока материала. Направление суммарного вектора напряженности электромагнитного поля  в каждой точке пространства контролируемого материала будет определяться неоднородностями потока и в силу случайного характера неоднородностей представляет случайный характер, т.е. получается эффект многократных измерений как бы при вращении контролируемого образца в случае линейно-поляризованной волны. При этом амплитуда прошедшей через материал волны в любой момент времени уже характеризует усредненную интегральную влажность материала, не зависящую от неоднородностей. Для устранения влияния неравномерности потока по влажности во времени применяются многократные измерения с последующим усреднением результата за определенный промежуток времени.
При многократных измерениях с усреднением измеряемой величины доверительный интервал случайной составляющей погрешности на уровне 0,95 определяется из выражения:
i
0.95
i
где x - измеряемая случайная величина, t - коэффициент Стьюдента, N - число наблюдений, S(x) - оценка среднеквадратического отклонения случайной величины. Это справедливо для независимых случайных величин, распределенных по нормальному закону и равноточных измерениях. Все эти условия в рассматриваемом способе выполняются: независимость случайных величин определяется независимостью и случайностью расположения неоднородностей в потоке контролируемого материала, при больших N случайные величины считаются распределенными по нормальному закону, равноточность измерений обеспечивается применением одного и того же измерительного устройства.
Действительно из (4) следует, что при N→∞ доверительный интервал Δ→0. При этом среднее значение измеряемой величины (x) стремится к его истинному значению, т.к.
При случайном расположении вектора , каждое его положение соответствует отдельному измерению, т.к. вносит долю ослабления в СВЧ-сигнал при соответствующей ориентации к неоднородности и все эти доли суммируются в общее ослабление проходящего через материал СВЧ-сигнала. Поскольку положений вектора  бесчисленное множество, то N-N→∞, и в соответствии с выражением (4) для доверительного интервала случайной погрешности в каждый момент времени (для каждого результата измерения) справедливо:
При этом снижение случайной погрешности осуществляется также при поточных измерениях за счет многократных измерений с последующим усреднением результатов.
а
2
2
y
Расширение диапазона измерения достигается за счет того, что амплитуда  и фаза ϕ составляющей Е зависят только от диэлектрических параметров диэлектрической пластины, и для любой максимальной влажности материала можно подобрать такие диэлектрические параметры диэлектрической пластины, чтобы уровень суммарного прошедшего СВЧ-сигнала был измерим современными измерительными приборами.
Схема поточного СВЧ-влагомера представлена на фиг. 2.
Поточный СВЧ-влагомер содержит источник электромагнитной энергии 1, подключенный к вычислительному блоку 6, измерительную секцию 4 в виде отрезка трубы, снабженную элементами возбуждения 2 и съема 3 электромагнитной энергии, выполненными в виде рупорных антенн, расположенных в направлении, перпендикулярном движению потока с внешних противоположных сторон измерительной секции 4 в виде отрезка трубы, соединенными соответственно с источником электромагнитной энергии 1 и измерительным блоком 5, диэлектрическую пластину 7, расположенную в центре трубы по ее оси в направлении движения потока между элементами возбуждения 2 и съема 3 электромагнитной энергии, выполненными в виде рупорных антенн.
Поточный СВЧ-влагомер работает следующим образом: электромагнитная энергия от источника 1 подается через элемент 2 возбуждения электромагнитной энергии в виде рупорной антенны в измерительную секцию 4 в виде отрезка трубы, прошедшая через него электромагнитная волна выводится через элемент 3 съема электромагнитной энергии в виде рупорной антенны, и с помощью измерительного блока 5 определяется величина затухания электромагнитной волны. По измеренному параметру в вычислительном блоке 6 вычисляется влажность исследуемого вещества по предварительно полученным градуировочным зависимостям. Влияние неоднородностей материала по влажности снижаются за счет распространения части электромагнитной энергии в диэлектрической пластине 7, что, как было показано выше, дает эффект многократных измерений для каждого момента времени.
Для снижения случайной погрешности, обусловленной неравномерностью потока по влажности во времени, осуществляются многократные измерения с последующим усреднением результатов в вычислительном блоке 6.
Расширение диапазона измерения достигается за счет выбора диэлектрических параметров диэлектрической пластины, обеспечивающих для любой максимальной влажности материала уровень суммарного прошедшего СВЧ-сигнала, измеримого современными измерительными приборами.
Предлагаемый поточный СВЧ-влагомер применим не только к сыпучим, но и жидким, и пастообразным материалам.
Проверка разработанного поточного СВЧ-влагомера методом имитационного моделирования показала, что при N>70 суммарная случайная погрешность, обусловленная влияниями неоднородностей материала и неравномерностями потока по влажности в пределах 20% (относительных), практически равна нулю.
Экспериментальные исследования, проведенные на специально созданной поточной установке контроля влажности на основе амплитудного СВЧ-метода, также подтвердили правильность теоретического обоснования разработанного поточного СВЧ-влагомера.