СПОСОБ КОНТРОЛЯ ИЗМЕНЕНИЙ ИНТЕГРАЛЬНОГО СОСТАВА ГАЗОВОЙ СРЕДЫ
METHOD OF MONITORING CHANGES IN INTEGRAL GAS MEDIUM COMPOSITION

Изобретение относится к области электрических измерений и может быть использовано для контроля интегрального состава газовой среды.
Известны различные способы контроля состава газовой среды и содержания в ней различной пыли, влаги, паров, органических веществ (угольная пыль, древесная пыль, торф, пары растворителей) и др. компонентов, например: оптические, массово-весовые и ультразвуковые способы (см., например, Туричин A.M. Электрические измерения неэлектрических величин / A.M. Туричин, Б.Э. Аршанский, И.А. Зограф и др. / Под общей ред. П.В. Новицкого. - М.-Л.: Энергия, 1966. - 690 с). Перечисленные способы обладают рядом недостатков при использовании их в ограниченных, замкнутых пространствах, с периодически работающей вентиляцией, например в шахтах, тоннелях, закрытых помещениях. Существующие стационарные, мобильные и носимые датчики контроля атмосферы обладают рядом недостатков. К их недостаткам относятся: слабая защищённость датчиков от пыли, влаги, паров, длительное время измерения и возможность проведения только локального контроля газовой среды. Так, например, примеси газов и пыли в угольных шахтах неравномерно распределены по объёму, поэтому перечисленные датчики могут не обнаружить вовремя выброс подземных газов, либо превышение предельно допустимой концентрации пыли даже на расстоянии нескольких метров от датчика. Это негативно сказывается на состоянии здоровья людей работающих в этих зонах или находящихся в непосредственной близости от них, а также может привести к взрыву пыли или газа. Это распространяется и на другие виды человеческой деятельности и производства с токсичной и вредной средой, а также на пожароопасные и взрывоопасные производства.
В отличие от перечисленных способов измерения, микроволновые фазометрические способы контроля состава газовой среды дают возможность осуществлять мониторинг состава газовой среды на протяжённых трассах и даже в больших объёмах пространства. Поэтому они представляют особый интерес при осуществлении мониторинга состава воздуха в замкнутых пространствах, в шахтах и тоннелях, для экологического мониторинга, а также изучении распространения микроволн в атмосферных каналах связи.
Наиболее близким по технической сути к предполагаемому изобретению является способ измерения флуктуаций набега фазы и углов прихода радиоволн (патент Украины № 58814 А опубл. в бюл. № 8, 2003 G01R 29/08).
1
2
3
3
1
2
По этому способу определения углов прихода радиоволн (микроволн) в двух независимых каналах генерируют непрерывные высокочастотные (микроволновые) колебания с двумя различными, мало отличающимися друг от друга частотами ƒ и ƒ. Через две антенны эти микроволновые колебания излучают в направлении ретранслятора. При этом в месте расположения антенн первичного излучения, генерируют отдельные опорные колебания с низкой частотой F. Эти низкочастотные колебания подают на модулятор радиопередатчика и через антенну радиопередатчика модулированный радиосигнал излучают в направлении ретранслятора на радиочастоте ƒ. В ретрансляторе, через антенну радиоприемника модулированный радиосигнал с частотой ƒ принимают и демодулируют, получая тем самым местные опорные низкочастотные колебания с частотой F. В микроволновые колебания с частотами ƒ и ƒ, принятые антенной ретранслятора, вводят монотонно нарастающий фазовый сдвиг. В ретрансляторе период изменения фазы микроволновых колебаний синхронизируют опорными низкочастотными колебаниями с частотой F. Трансформированные по частоте микроволновые колебания с частотами  и  переизлучают в направлении первичного излучения, где оба этих колебания вторично принимают, подают на смеситель вместе с исходными микроволновыми колебаниями и в соответствующих каналах выделяют комбинационные низкочастотные составляющие с одинаковыми частотами  и . После чего измеряют разности фаз, между местными опорными низкочастотными колебаниями с частотой F и комбинационными низкочастотными колебаниями с этой же частотой F, в этих каналах в отдельности, оценивая тем самым флуктуации набега фазы в обоих каналах измерителя. Дополнительно вычисляют при этом угол прихода микроволн.
Однако приведенный способ измерения флуктуаций набега фазы и углов прихода микроволн требует трёх радиоканалов для обеспечения его работы. Кроме того, приведенный способ измерения флуктуаций набега фазы и углов прихода микроволн не позволяет достичь высокой точности измерения. Это связанно с тем, что опорный канал синхронизации является открытым радиоканалом, поэтому изменения его комплексного коэффициента передачи приводят к флуктуациям амплитуды и полной фазы передаваемого радиосигнала. Появление этих флуктуаций вызвано следующими главными причинами: аддитивными шумами в опорном канале связи и многолучевым распространением радиоволн. Даже наличие высокодобротных фильтров на выходе радиоприёмника не позволяет подавить фазовые шумы в низкочастотном опорном сигнале, так как их спектр сосредоточен в области частоты опорного сигнала. В результате, в ретрансляторе при сдвиге частоты микроволнового измерительного сигнала, в него также вносятся флуктуации начальной фазы, обусловленные фазовыми шумами низкочастотного опорного сигнала. Эти флуктуации начальной фазы низкочастотного опорного сигнала не могут быть скомпенсированы в прототипе, при измерении набега фазы микроволнового сигнала, что отрицательно влияет на точность измерений.
1
1
1
1
2
2
1
2
1
2
2
В основу изобретения поставлена задача минимизировать количество радиоканалов, требуемых для работы устройства. Поставленная цель достигается путём того, что первоначально генерируют непрерывные микроволновые колебания с частотой ƒ, которые модулируют по амплитуде низкочастотными колебаниями с частотой F, полученные путём деления частоты сигнала с выхода высокочастотного высокодобротного кварцевого опорного генератора, причём эти колебания через первый микроволновый Y-циркулятор подают на микроволновую антенну первичного излучения и вторичного приема, которая первично излучает эти микроволновые колебания в направлении микроволновой антенны первичного приема и вторичного излучения, при этом первично принятые микроволновые колебания через второй микроволновый Y-циркулятор подают на полосовой фильтр, а потом на микроволновый усилитель, усиленный микроволновый сигнал подают одновременно на сигнальный вход управляемого микроволнового фазовращателя и на амплитудный детектор, при этом низкочастотные колебания с частотой F с выхода амплитудного детектора подают на первый вход частотно-фазового детектора, сигнал с выхода которого подают на высокочастотный высокодобротный кварцевый опорный генератор управляемый напряжением, сигнал с выхода которого подают на два делителя частоты для формирования низкочастотных сигналов с частотами F и F, при этом сигнал с частотой Fx поступает на второй вход частотно-фазового детектора, а сигнал с частотой F поступает на управляющий вход управляемого микроволнового фазовращателя, в котором осуществляется сдвиг частоты микроволнового сигнала с частотой f на величину, равную частоте F, при этом трансформированные по частоте микроволновые колебания подают через второй микроволновый Y-циркулятор на микроволновую антенну первичного приема и вторичного излучения и излучают их в направлении микроволновой антенны первичного излучения и вторичного приема, далее микроволновые колебания с частотой  принимают и через первый микроволновый Y-циркулятор подают на смеситель вместе с исходными микроволновыми колебаниями с частотой ƒ, в котором осуществляют гомодинное преобразование частоты, при этом преобразованный по частоте низкочастотный сигнал с частотой F ограничивают по амплитуде в избирательном усилителе-ограничителе и подают на вход фазового детектора, на опорный вход которого подаётся низкочастотный опорный сигнал с частотой F, сформированный путём деления частоты высокочастотного высокодобротного кварцевого опорного генератора; таким образом, на выходе фазового детектора получают сигнал пропорциональный набегу фазы микроволнового сигнала, при его двукратном прохождении измерительной трассы, по изменению которого контролируют изменения интегрального состава воздуха в шахтах.
1
2
Сравнение предполагаемого способа с уже известными способами и прототипом показывает, что заявляемый способ выявляет новые технические свойства, которые заключаются в возможности осуществлять мониторинг состава газовой среды на протяжённых трассах и в больших объёмах пространства, возможности достижения фазовой синхронизации опорных генераторов на обоих концах измерительной трассы с использованием единственного канала радиосвязи, который используется одновременно для измерения и синхронизации высокочастотных высокодобротных кварцевых опорных генераторов, за счёт выбора отличающихся частот F и F синхронизирующего и опорного сигналов, что позволяет повысить точность измерений и снизить затраты на производство данного устройства, а также оптимизировать радиотракт измерительного оборудования. Эти свойства предполагаемого изобретения особенно важны для применения в угольных шахтах, на производствах с токсичной и вредной средой, а также на пожароопасных и взрывоопасных производствах, где пыль, пары и газы неравномерно распределены по объёму рабочего пространства.
Эти свойства предполагаемого изобретения являются новыми, потому что в способе-прототипе имеются недостатки, которые заключаются в подверженности помехам опорного низкочастотного сигнала, отсутствии усиления исследуемого микроволнового сигнала, равенстве частот опорного и синхронизирующего сигналов - обуславливают возможность измерения набега фаз исследуемых микроволновых сигналов с низкой точностью и соответственно с низкой точностью производят мониторинг изменения интегрального состава воздуха.
1
l
1
2
1
1
l
2
1
1
1
2
2
1
2
2
с
В предлагаемом способе контроля изменений интегрального состава газовой среды сначала генерируют микроволновые колебания с частотой ƒ, которые затем модулируют по амплитуде низкочастотным синхронизирующим сигналом с частотой F. Низкочастотный синхронизирующий сигнал с частотой F, а также низкочастотный опорный сигнал с частотой F формируют путём деления частоты высокочастотного высокодобротного кварцевого опорного генератора. Модулированный по амплитуде микроволновый сигнал с частотой ƒ через первый микроволновый Y-циркулятор подают на микроволновую антенну первичного излучения и вторичного приема, которая первично излучает эти микроволновые колебания в направлении микроволновой антенны первичного приема и вторичного излучения в ретрансляторе. При этом микроволновый сигнал приобретает набег фазы, равный , где d - длина измерительной трассы, ε - относительная диэлектрическая проницаемость исследуемой газовой среды,  - скорость света в вакууме. Далее принятые микроволновые колебания через второй микроволновый Y-циркулятор подают на полосовой фильтр, а потом на микроволновый усилитель. Усиленные микроволновые колебания с частотой ƒ демодулируют, при помощи амплитудного детектора, полученные таким образом низкочастотные колебания с частотой F используют для синхронизации высокочастотного высокодобротного кварцевого опорного генератора управляемого напряжением. Далее низкочастотный опорный сигнал с частотой F, полученный путём деления частоты сигнала высокочастотного высокодобротного кварцевого опорного генератора управляемого напряжением, подают на управляющий вход управляемого микроволнового фазовращателя, на сигнальный вход которого подают усиленные микроволновые колебания с частотой ƒ. В управляемом микроволновом фазовращателе в микроволновые колебания с частотой F, вносится периодический монотонно нарастающий от 0 до 2π фазовый сдвиг. Таким образом осуществляется сдвиг частоты микроволнового сигнала с частотой ƒ на величину равную частоте F. Трансформированный по частоте микроволновый сигнал, с частотой  через второй микроволновый Y-циркулятор подают на микроволновую антенну первичного приема и вторичного излучения, которая вторично излучает эти микроволновые колебания в направлении микроволновой антенны первичного излучения и вторичного приема. При этом микроволновый сигнал приобретает набег фазы, равный . Так как частота F низкочастотного опорного сигнала много меньше частоты fx микроволнового измерительного сигнала, то  и, следовательно, набег фазы . Далее принятые микроволновые колебания через первый микроволновый Y-циркулятор подают на смеситель, вместе с исходными микроволновыми колебаниями с частотой ƒ, в котором осуществляют гомодинное преобразование частоты. Преобразованный по частоте низкочастотный сигнал с частотой F ограничивают по амплитуде в избирательном усилителе-ограничителе и подают на вход фазового детектора, на опорный вход которого подаётся опорный сигнал с частотой F, полученный путём деления частоты высокочастотного высокодобротного кварцевого опорного генератора; таким образом, на выходе фазового детектора получают сигнал пропорциональный набегу фазы микроволнового сигнала, при его двукратном прохождении измерительной трассы. Зная длину измерительной трассы контролируют изменения относительной диэлектрической проницаемости ε исследуемой газовой среды, а следовательно изменения ее интегрального состава.
Указанный способ контроля изменения интегрального состава газовой среды можно реализовать с помощью устройства, приведенного на рисунке.
Устройство для определения интегрального состава газовой среды содержит генератор микроволновых колебаний 1, высокочастотный высокодобротный кварцевый опорный генератор 2, амплитудный модулятор 3, делители частоты 4, 5, 19 и 20, микроволновые Y-циркуляторы 6 и 12, микроволновую антенну первичного излучения и вторичного приема 7, смеситель 8, избирательный усилитель-ограничитель 9, фазовый детектор 10, микроволновую антенну первичного приема и вторичного излучения 11, полосовой фильтр 13, микроволновый усилитель 14, управляемый микроволновый фазовращатель 15, амплитудный детектор 16, частотно-фазовый детектор 17, высокочастотный высокодобротный кварцевый опорный генератор управляемый напряжением 18.
Выход высокочастотного высокодобротного кварцевого опорного генератора 2 соединён со входами делителей частоты 4 и 5, причём выход делителя частоты 4 соединён с модуляционным входом амплитудного модулятора 3, микроволновый вход которого соединён с выходом генератора микроволновых колебаний 1, при этом выход амплитудного модулятора 3 соединён с первым выводом микроволнового Y-циркулятора 6, второй вывод которого соединён с микроволновой антенной первичного излучения и вторичного приема 7, а третий вывод микроволнового Y-циркулятора 6 соединён с первым входом смесителя 8, второй вход которого соединён с выходом генератора микроволновых колебаний 1, при этом выход смесителя 8 соединён со входом избирательного усилителя-ограничителя 9, выход которого соединён с первым входом фазового детектора 10, второй вход которого соединён с выходом делителя частоты 5; при этом выход микроволновой антенны первичного приема и вторичного излучения 11 соединён с первым выводом микроволнового Y-циркулятора 12, второй вывод которого соединён с полосовым фильтром 13, выход которого соединён со входом микроволнового усилителя 14, выход которого соединён с сигнальным входом управляемого микроволнового фазовращателя 15, а также со входом амплитудного детектора 16, выход которого соединён с первым входом частотно-фазового детектора 17, второй вход которого соединён с делителем частоты 19, при этом выход частотно-фазового детектора 17 соединён со входом высокочастотного высокодобротного кварцевого опорного генератора управляемого напряжением 18, выход которого соединён со входами делителей частоты 19 и 20, при этом выход делителя частоты 20 соединён с управляющим входом управляемого микроволнового фазовращателя 15, выход которого соединён с третьим выводом микроволнового Y-циркулятора 12.
0l
1
1
Работает устройство, реализующее способ контроля изменений интегрального состава газовой среды, следующим образом. Микроволновые колебания с начальной амплитудой U, частотой ƒ, и начальной фазой φ, описываемые следующим выражением
,
с выхода генератора микроволновых колебаний 1 подают на микроволновый вход амплитудного модулятора 3. При этом, на модуляционный вход амплитудного модулятора подают низкочастотный синхронизирующий сигнал с частотой Fx, сформированный путём деления частоты сигнала высокочастотного высокодобротного кварцевого опорного генератора 2
,
c
где n - коэффициент деления делителя частоты 4; U - амплитуда синхронизирующего сигнала;  - начальная фаза сигнала высокочастотного высокодобротного кварцевого опорного генератора 2.
В результате модулированные по амплитуде микроволновые колебания можно описать при помощи следующего выражения:
,
где  - коэффициент амплитудной модуляции.
1
Модулированный по амплитуде микроволновый сигнал с частотой ƒ через микроволновый Y-циркулятор 6 подают на микроволновую антенну первичного излучения и вторичного приема 7, которая первично излучает эти микроволновые колебания в направлении микроволновой антенны первичного приема и вторичного излучения 11. При этом микроволновый сигнал приобретает набег фазы Δφ, равный
где d - длина измерительной трассы, ε - относительная диэлектрическая проницаемость исследуемой газовой среды, с - скорость света в вакууме.
Таким образом, принятые микроволновые колебания имеют следующий вид:
.
02
где U - амплитуда принятых микроволновых колебаний.
1
1
Далее принятые микроволновые колебания через микроволновый Y-циркулятор 12 подают на полосовой фильтр 13, настроенный на частоту ƒ, а потом на микроволновый усилитель 14. Усиленные микроволновые колебания с частотой ƒ демодулируют, при помощи амплитудного детектора 16, полученные таким образом низкочастотный сигнал имеет вид
.
Этот сигнал с частотой F, подают на систему фазовой автоподстройки частоты, состоящую из частотно-фазового детектора 17, высокочастотного высокодобротного кварцевого опорного генератора управляемого напряжением 18 и делителя частоты 19.
Далее низкочастотный опорный сигнал с частотой F2, полученный путём деления частоты сигнала высокочастотного высокодобротного кварцевого опорного генератора управляемого напряжением 18 при помощи делителя частоты 20, описывается выражением
ОП2
1
1
где m - коэффициент деления делителя частоты 20, U - амплитуда опорного сигнала. Этот сигнал подают на управляющий вход управляемого микроволнового фазовращателя 15, на сигнальный вход которого подают усиленные микроволновые колебания с частотой ƒ с микроволнового усилителя 14. В управляемом микроволновом фазовращателе 15 в микроволновые колебания с частотой ƒ вносится периодический монотонно нарастающий от 0 до 2π фазовый сдвиг, с периодом равным . При этом можно говорить о сдвиге спектра микроволновых колебаний на так называемую частоту Доплера
2
Таким образом, осуществляется сдвиг частоты микроволнового сигнала с частотой f1 на величину, равную частоте F. Трансформированный по частоте микроволновый сигнал с частотой  имеет следующий вид
,
04
где U - амплитуда микроволнового сигнала.
Этот сигнал через микроволновый Y-циркулятор 12 подают на микроволновую антенну первичного приема и вторичного излучения 11, которая вторично излучает эти микроволновые колебания в направлении микроволновой антенны первичного излучения и вторичного приема 7. При этом микроволновый сигнал приобретает набег фазы, равный
2
Так как частота F низкочастотного опорного сигнала много меньше частоты fx микроволнового измерительного сигнала, то
.
Следовательно, набег фазы микроволнового сигнала с частотой f2 приближённо равен
Далее принятые микроволновые колебания через микроволновый Y-циркулятор 6 подают на смеситель 8, вместе с исходными микроволновыми колебаниями с частотой fx, в котором осуществляют гомодинное преобразование частоты. Преобразованный по частоте низкочастотный сигнал описывается следующим выражением
,
05
где U - амплитуда низкочастотного сигнала.
Этот сигнал ограничивают по амплитуде в избирательном усилителе-ограничителе 9 после чего он принимает вид
,
06
где U - амплитуда усиленного и ограниченного низкочастотного сигнала.
2
Этот сигнал подают на вход фазового детектора 10, на опорный вход которого подаётся опорный сигнал с частотой F, полученный путём деления частоты высокочастотного высокодобротного кварцевого опорного генератора 2. Опорный сигнал описывается следующим выражением:
,
где m - коэффициент деления делителя частоты 5.
Таким образом, на выходе фазового детектора 10 получают сигнал пропорциональный набегу фазы микроволнового сигнала, при его двукратном прохождении измерительной трассы. Зная длину измерительной трассы контролируют изменения относительной диэлектрической проницаемости ε исследуемой газовой среды, а следовательно и изменения её интегрального состава.
1
2
Народнохозяйственный эффект от использования предполагаемого изобретения связан с созданием системы, которая дает возможность анализировать свойства среды распространения микроволн по результатам измерений флуктуаций набега фазы микроволновых колебаний, обладающей повышенной точностью определения изменений интегрального состава газовой среды. Преимущество данного измерителя, по сравнению с прототипом, заключается в достижении фазовой синхронизации опорных генераторов на обоих концах измерительной трассы, что позволяет повысить точность измерений. Дополнительное преимущество данного измерителя заключается в том, что ретранслятор усиливает переизлучаемый измерительный сигнал, что позволяет увеличить длину измерительной трассы. Увеличение длины измерительной трассы позволяет повысить точность измерения за счёт снижения относительной погрешности измерения разности фаз исследуемого микроволнового сигнала. Возможность независимого выбора частот F синхронизирующего и F опорного сигналов позволяет выбирать частотный сдвиг, вносимый микроволновым управляемым фазовращателем, в микроволновые измерительные сигналы, а также позволяет использовать один и тот же канал связи как для измерения набега фазы, так и для синхронизации опорных генераторов, что позволяет снизить затраты на проектирование и производство данного устройства, а также оптимизировать радиотракт измерительной системы.
Преимущество данного измерителя, по сравнению с другими способами измерения заключается в защищённости датчиков от пыли, влаги, паров, малом времени измерения и возможности проведения контроля изменения состава газовой среды на протяжённых трассах и в больших объёмах рабочих пространств. Эти свойства предполагаемого изобретения особенно важны для применения в угольных шахтах, на производствах с токсичной и вредной средой, а также на пожароопасных и взрывоопасных производствах, где газы, пыль и пары неравномерно распределены по объёму рабочего пространства. Кроме того данный измеритель может быть реализован в компактном исполнении, небольшого веса, с малым энергопотреблением.
Другой аспект повышения эффективности применения предполагаемого изобретения связан с возможностью его использования в составе аналитическо-измерительных комплексов непрерывного контроля за параметрами атмосферы в замкнутых пространствах, в шахтах и тоннелях, а также в системах непрерывного экологического мониторинга, метеорологии и системах автоматического управления технологическими процессами.