Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. СВЧ устройства с периодическими неоднородностями как преобразовательные элементы информационно-измерительных систем 18
1.1. СВЧ устройства с периодическими неоднородностями 18
1.2. СВЧ фотонные кристаллы 22
1.3. Брэгговская СВЧ-структура в коаксиальном кабеле (БССКК) 26
1.4. Измерительные преобразователи на основе СВЧ устройств с периодическими неодноро дностями 31
1.5. Анализ существующих измерителей уровня жидких продуктов 38
1.6. Измерители уровня на волоконных решетках Брэгга 45
1.7. Выводы по главе. Постановка задач исследований 47
ГЛАВА 2. Теоретические методы описания характеристик брэгговских свч-структур в коаксиальном кабеле применительно к задачам определения уровня жидких сред
2.1. Принцип измерения уровня жидкой диэлектрической среды с помощью БССКК 49
2.2. Математическое описание БССКК
2.2.1. Матричный метод 52
2.2.2. Метод ориентированных графов 54
2.2.3. Теория связанных мод 58
2.2.4. Компьютерное моделирование 2.3. Приложения матриц и графов к определению свойств и характеристик БССКК, используемых для измерения уровня жидких сред 60
2.4. Исследование частотных зависимостей коэффициента отражения БССКК в задачах определения уровня жидких сред 63
2.5. Определение измерительных характеристик преобразователя уровня жидких сред 72
2.6. Выводы по главе
ГЛАВА 3. Машинное моделирование вариантов брэгговских структур в коаксиальном кабеле для измерителей уровня жидкости дискретного и непрерывного действия 78
3.1. Моделирование БССКК с однорядным расположением неоднородностей для измерителей уровня дискретного действия 78
3.2. Моделирование БССКК с двухрядным расположением неоднородностей для измерителей уровня дискретного действия 83
3.3. Моделирование БССКК для измерителей уровня многокомпонентных несмешиваемых жидкостей дискретного типа 85
3.3. Моделирование БССКК для измерителей уровня непрерывного типа 87
3.4. Выводы по главе 93
ГЛАВА 4. Техническая реализация измерителей уровня жидких продуктов на основе брэгговских свч-структур в коаксиальном кабеле 94
4.1. Экспериментальная установка для исследования БССКК как преобразователя уровня жидкого продукта 95
4.2 Методика проведения эксперимента и результаты 99
4.3. Подсистема определения измерительной информации в составе уровнемера жидких продуктов на основе БССКК 104
Заключение 119
Список использованных источников
- Измерительные преобразователи на основе СВЧ устройств с периодическими неодноро дностями
- Математическое описание БССКК
- Моделирование БССКК с двухрядным расположением неоднородностей для измерителей уровня дискретного действия
- Методика проведения эксперимента и результаты
Измерительные преобразователи на основе СВЧ устройств с периодическими неодноро дностями
С помощью метода ориентированных графов можно получить аналитическую зависимость для коэффициента отражения и передачи брэгговской структуры. Применив метод ориентированных графов можно получить выражение для коэффициента отражения брэгговской структуры, учитывающее влияние подключенной ко второму порту неидеальной согласованной нагрузки. Матричное выражение для описания брэгговской структуры, функционирующей как преобразователь уровня, включает матрицу передачи однородного участка, неоднородного участка с воздушным заполнением, неоднородного участка с заполнением жидкостью. С помощью метода ориентированных графов можно получить аналитическую зависимость для коэффициента отражения брэгговских структур, реализующих отражательный режим определения уровня жидкого продукта и режим на прохождение. Вычислительный эксперимент проводился на основе матричного метода и заключался в определении зависимости характеристик брэгговской структуры при различной диэлектрической проницаемости среды заполнения. Комплексные коэффициенты отражения и передачи неоднородного участка определялись с помощью моделирования в программе CST Microwave Studio. Полученные зависимости показывают, что в связи с расширением полосы резонанса при больших значениях диэлектрической проницаемости, возникает наложение двух резонансов начиная с определенного значения количества заполненных отверстий, что приводит к ухудшению эффективности определения уровня. Для устранения указанного эффекта было предложено изменить конфигурацию неоднородности, а именно уменьшить глубину отверстия. В этом случае эффективная диэлектрическая проницаемость неоднородности уменьшается. Подбором значений глубины отверстия для определенных диапазонов диэлектрической проницаемости жидкостей, позволяющих с уверенностью выделить информацию о текущем уровне жидкости, решается задача разработки уровнемера для широкого диапазона измеряемых продуктов. В техническом плане измеритель уровня будет представляться одним блоком анализатора и заменяемыми чувствительными элементами. Следующим этапом явилась оценка измерительных параметров преобразователя уровня на основе брэгговских структур, включающая определение зависимости амплитуд двух резонансов, центральных частот и отношения амплитуд двух резонансов от количества заполненных отверстий п. Показано, что амплитуды и центральные частоты изменяются не монотонно, а отношение амплитуд двух резонансов имеет линейный характер в диапазоне значений и от 6 до 15, что может быть эффективно использовано для определения текущего положения уровня жидкой среды. За пределами линейного диапазона измерение осуществляется за счет существования линейного участка в зависимости для первого резонанса в пределах значений п от 0 до 4 и для второго резонанса в пределах значений п от 16 до 20.
Третья глава посвящена машинному моделированию вариантов брэгговских структур в коаксиальном кабеле для измерителей уровня жидкости дискретного и непрерывного действия. Проведение компьютерной верификации в программе электродинамического моделирования позволяет получить характеристики брэгговской структуры при имитации реальной физической ситуации измерения уровня жидкости, с конечным объемом и расположением в контрольном резервуаре. Компьютерное моделирование позволяет провести анализ структур для непрерывного контроля уровня среды. Возможной конструкцией для задач непрерывного контроля является коаксиальный кабель с периодическими продольными отверстиями, для обеспечения непрерывности измерения по всей длине кабеля применяются два кабеля с неперекрывающимися отверстиями с раздельным контролем или с одновременным контролем используя соединение кабелей через коаксиальный изгиб. Во втором случае эквивалентной ситуацией оказывается расположение жидкости в середине кабеля. Результаты получены для одного кабеля с продольными отверстиями. Зависимости показывают, что для коэффициента отражения при положении уровня в середине отверстия и при изменении уровня в пределах одного отверстия происходят аналогичные структурам с цилиндрическими отверстиями изменения характера кривых.
Четвертая глава технической реализации измерителей уровня жидких продуктов на основе брэгговских СВЧ-структур в коаксиальном кабеле. Экспериментальное исследование заключалось в физической реализации дискретного измерения уровня жидкости, в качестве которой применялись бензин и водопроводная вода. Измерение проводилось в режимах отражения и прохождения, с использованием соответствующих соединений, для каждого их которых показаны характеристики в случае воздушного заполнения отверстий. Экспериментальная установка состояла из цилиндрического резервуара, коаксиального кабеля с брэгговской структурой, векторного анализатора цепей для контроля характеристик и погружного насоса для откачки жидкости. Первоначальные эксперименты показали существенный недостаток изготовленных структур, связанный с проникновением жидкости через боковые грани в полости между внешним проводником диэлектриком и изоляцией. Для устранения указанного недостатка предложен способ герметизации боковых стенок отверстий с помощью затвердевающего диэлектрика, заключающийся в заделке просверленного отверстия диэлектриком и повторным сверлением отверстия меньшего диаметра. Организация оперативного контроля измерительных характеристик СВЧ брэгговских структур, используемых как преобразователи уровня, предлагается методами двухчастотного зондирования резонансных структур, позволяющих устранить ряд недостатков одночастотных методов с перестраиваемыми генераторами. Метод основан на анализе информационной структуры огибающей сигнала биений двух частот после прохождения или отражения от резонансного контура. Исходя из параметров огибающей определяется амплитуда резонанса.
Математическое описание БССКК
Измерители уровня на основе БССКК с некоторой долей приближения можно отнести к волноводным измерителям уровня, отличие от последних заключается в характере используемого информационного сигнала и принципа его обработки. В локационных измерителях волноводного типа преимущественно используется временная рефлектометрия, то есть сигнал, несущий информацию о положении уровня жидкости, анализируется во временной области. Уровнемер на БССКК функционирует на основе частотной рефлектометрии, по аналогии с его волоконно-оптическим прототипом.
По принципу определения измерительной информации можно выделить два типа исполнения измерителя уровня на основе БССКК: с измерением в режиме отражения и с измерением в режиме передачи. Преобразовательный элемент измерителя, реализующего режим отражения, показан на рис. 2Ла. Преобразователь уровня представляет собой отрезок коаксиального кабеля с периодически расположенными отверстиями, в частном случае круглого сечения, в пределах измерительной длины кабеля. Отверстия прорезают внешнюю изоляцию, внешний проводник и внутренний диэлектрик кабеля. В резервуар с контролируемой жидкостью в вертикальном положении опускается кабель с подключенной согласованной нагрузкой, длина измерительного участка должна соответствовать максимально возможному уровню жидкости. По мере увеличения положения уровня, отверстия кабеля поочередно заполняются жидкостью, что эквивалентно последовательному соединению двух БССКК, параметры неоднородностей и длина которых зависят от количества заполненных отверстий. Уровень определяется посредством анализа частотной характеристики коэффициента отражения БССКК. Исполнение измерителя уровня, функционирующего в режиме передачи (рис. 2.16), предполагает наличие коаксиального изгиба и дополнительного соединительного кабеля. В данном случае определение уровня производится в результате анализа изменения частотной характеристики коэффициента передачи соединения - БССКК, коаксиальный изгиб, соединительный кабель.
Варианты реализации измерителя уровня дискретного действия: а-измерение на отражение, б - измерение на прохождение. Измерительной информацией для определения уровня будут являться параметры резонансов коэффициентов отражения или передачи БССКК двух эквивалентных брэгговских структур (рис.2.2). Рис. 2.2. Модуль коэффициента отражения БССКК для трех значений заполненных отверстий п.
Предложенный выше вариант уровнемера в силу своей конструкции является измерителем дискретного типа, то есть определение уровня возможно лишь в конкретных отсчетах по длине кабеля. Участки с неопределенным значением уровня находятся в промежутках между отверстиями. Разрешающая способность уровнемера определяется периодом структуры (расстоянием между соседними отверстиями).
Можно выделить несколько путей увеличение разрешающей способности: - Уменьшение периода структуры, но при этом неизбежно увеличивается частота первого резонанса коэффициента отражения, что усложняет процесс извлечения измерительной информации. -Усложнение конструкции измерителя, заключающееся в расположении рядом нескольких идентичных БССКК, но со сдвинутыми по длине расположениями отверстий. Такая конструкция подразумевает отдельный измерительных канал на каждую БССКК, либо наличие СВЧ переключателя.
Существует предложенный в работе [96] метод численного описания БССКК с помощью четырехполюсной волновой матрицы передачи, позволяющий получить частотные характеристики коэффициента отражения и передачи БССКК, при заведомо известной матрицы рассеяния неоднородности.
Структуру БССКК можно представить как чередование участков однородного коаксиального волновода и участков с неоднородностью в виде отверстия во внешнем проводнике и диэлектрическом заполнении, в этом случае удобно использовать распространенный в теории цепей с распределенными параметрами метод декомпозиции на подсхемы. На рис. 2.3 показано представление отдельных участков БССКК в виде четырехполюсников, где Лид и If отр - напряжения падающих и отраженных волн на соответствующих граничных сечениях п= 1,2,3... Наиболее целесообразным в случае БССКК является описание элементарных участков с помощью волновых матриц передачи, при этом общая матрица будет являться произведением матриц отдельных элементов. Вывод матрицы передачи возможен из матрицы рассеяния, в силу их непосредственной связи. Модуль и фаза частотных S-параметров участков с неоднородностью могут быть получены в программе электродинамического моделирования, например, CST Microwave Studio, либо экспериментальным путем с применением векторных измерителей параметров рассеяния. В силу взаимности и симметричности БССКК и ее составных элементарных участков, коэффициент отражения и передачи в прямом и обратном направлениях будут одинаковы: Sn=S22, 21= 12 J
Ориентированным графом называют топологическое изображение зависимости между несколькими переменными, в качестве которых применительно к анализу устройств СВЧ выступают комплексные амплитуды падающих и отраженных волн в различных сечениях. Граф представляет систему независимых линейных алгебраических уравнений в случае линейной зависимости между переменными. Результат решения системы уравнений получается непосредственно из рассмотрения структуры соответствующего им ориентированного графа [57]. Метод позволяет получить выражения для коэффициентов отражения и передачи СВЧ-устройства в аналитическом виде.
Моделирование БССКК с двухрядным расположением неоднородностей для измерителей уровня дискретного действия
Анализируя полученные зависимости для центральных частот резонансов можно сделать следующие выводы: во-первых, частота не остается постоянной при изменении количества заполненных отверстий, во-вторых, характер этой зависимости не монотонен. Касательно изменения амплитуд двух резонансов, здесь также присутствует немонотонность характеристики. Последний факт усложняет возможность извлечения информации о текущем положении жидкости исходя из измерения амплитуды только одного резонанса, либо последовательном измерении амплитуд двух резонансов.
Обладая зависимостями для амплитуд двух резонансов (рис. 2.19, 2.21) можно определить отношение амплитуды первого резонанса к амплитуде второго резонанса при различных значениях заполненных отверстий (рис.2.23). Последний график определен в диапазоне изменения количества заполненных отверстий и от 5 до 16, что объясняется существованием минимального количества периодических неоднородностей для формирования отчетливого резонанса, в данном случае это значение составляет 4-5 отверстий.
Зависимость отношения амплитуд резонансов от количества заполненных отверстий. График, изображенный на рис.2.23, отчетливо показывает существование линейной зависимости отношения двух амплитуд резонансов в диапазоне значений и от 6 до 15. Указанная особенность может быть эффективно использована для определения текущего положения уровня жидкой среды. Получение измерительной информации за пределами линейного диапазона изменения отношения амплитуд достигается за счет существования линейного участка в зависимости для первого резонанса (рис. 2.19) в пределах значений п от 0 до 4 и для второго резонанса (рис. 2.21) в пределах значений и от 16 до 20.
В итоге можно определить методику осуществления контроля положения уровня жидкой среды посредством анализа частотной характеристики коэффициента отражения или передачи следующим образом: если уровень жидкости мал или наоборот приближается к максимальному значению, решение принимается по измеренному значению амплитуды первого или второго резонанса, если уровень занимает промежуточное значение, то оно определяется согласно отношению измеренных амплитуд первого и второго резонанса.
1. Предложен принцип измерения уровня жидких сред, основанный на использовании в качестве преобразовательного элемента брэгговскую СВЧ-структуру в коаксиальном кабеле и позволяющий определять искомое положение границы жидкости в дискретных точках.
2. Использованы приложения матриц и графов к теоретическому нахождению частотных зависимостей модулей коэффициента отражения и передачи брэгговских СВЧ-структур в коаксиальном кабеле для реализации на их основе измерителей уровня жидких сред.
3. Проведен вычислительный эксперимент для определения зависимости коэффициента отражения структуры от диэлектрической проницаемости среды заполнения неоднородностей кабеля, а также характеристических параметров частотной зависимости коэффициента отражения от количества заполненных отверстий.
4. На основе вычислительного эксперимента даны рекомендации для оптимизации формы неоднородности к параметрам исследуемой жидкой среды и сформулирована методика определения измерительной информации по изменениям параметров характеристик отражения и передачи.
Широко распространенным в теории и технике антенн и устройств СВЧ методом оценки характеристик электродинамических структур является компьютерное моделирование с привлечением вычислительных возможностей программ для расчета электромагнитных полей. В настоящее время существует множество программ, осуществляющих данную задачу, например Ansys Multiphysics, Comsol Multiphysics, uWave Wizard CST STUDIO SUITE Ansoft HFSS. Достоинством такого метода анализа является возможность осуществления максимального приближения к реальной физической ситуации при условии точного задания электрических параметров всех материалов модели и геометрического подобия структуры.
Построение компьютерной электродинамической модели БССКК для реализации на ее основе измерителя уровня позволяет проследить влияние эффектов, не учитываемых при вычислительном эксперименте на базе метода матриц и ориентированных графов. К таким можно отнести, например, паразитное внешнее излучение из отверстий в экране коаксиального кабеля, взаимная связь между отверстиями через исследуемую среду и воздух, протекание тока по проводящей жидкой среде.
Моделирование БССКК с однорядным расположением неоднородностей для измерителей уровня дискретного действия
Для определения характеристик БССКК, имитирующей преобразователь для дискретного уровнемера, была построена компьютерная имитационная модель в программе Microwave CST Studio. Внешний вид модели изображен на рис. 3.1. Рис.3.1 Модель БССКК для дискретного уровнемера в программе Microwave CST Studio
Модель представляла собой цилиндрический резервуар с металлическими стенками, в котором расположена однородная жидкость. По центру резервуара вертикально расположен коаксиальный кабель с цилиндрическими отверстиями в один ряд. Кабель пересекает верхнюю и нижнюю стенки резервуара для возможности контроля одновременно коэффициента отражения и передачи структуры.
Изменение уровня жидкости задавалось с дискретным шагом, равным периоду структуры и с положениями, соответствующими полному заполнению отверстия (рис. 3.1).
В качестве измеряемой жидкости был выбран бензин с в= 4.5, tgd= 0.0015 на частоте 3000 МГц. На рис. 3.2. показаны дисперсионные характеристики действительной и мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости вещества, задаваемые в программе, с помощью аппроксимацией моделью Дебая.
Методика проведения эксперимента и результаты
Устройство для измерения уровня жидких продуктов, использующего в качестве преобразовательного элемента БССКК, должно содержать высокоточную подсистему определения измерительной информации с СВЧ датчика, каким является коаксиальный кабель с периодическими неоднородностями. Существует способ реализации измерителя характеристик СВЧ резонансных структур [89], заключающийся в том, что подают одночастотное зондирующее колебание, изменяемое по определенному закону в частотном диапазоне измерений с выхода векторного или скалярного анализатора цепей на вход резонансной структуры и принимают его на другом входе векторного или скалярного анализатора цепей отраженным от или прошедшим через резонансную структуру, регистрируют изменения параметров зондирующего колебания, по которым определяют резонансные частоту /р, амплитуду [/р и добротность Q резонансной структуры.
Недостатком указанного способа является необходимость проведения измерений во всей полосе частот измерений, а не только характерной для резонансной структуры, или при использовании специального программного обеспечения в полосе частот, необходимой для определения добротности, использования сложных дорогостоящих скалярного или векторного анализатора цепей и широкополосных детекторов мощности СВЧ диапазона. Это приводит к тому, что подобные устройства преимущественно являются лабораторными. Спектральное измерение мощности характеризуется малым отношением сигнал/шум, обусловленным как широкой полосой и гомодинным характером приема выходного колебания резонансной структуры, так и наличием интенсивных шумов детектора. Все это приводит к появлению дополнительных источников погрешностей измерения характеристик резонансных структур и снижению их точности в целом.
Описанный принцип используется также в устройстве для измерения характеристик резонансного датчика контроля изменения диэлектрических параметров термореактивного материала на основе перестраиваемого генератора СВЧ и детекторной секции [46]. Данное устройство использует менее сложное оборудование, применимое в условиях производства. Однако и в этом случае используется широкополосный детектор мощности СВЧ диапазона. Поэтому недостатком указанного устройства также является малое отношение сигнал/шум, обусловленным как широкой полосой, так и наличием интенсивных шумов СВЧ детектора низкочастотной природы и низкочастотных помех, вызванных флуктуациями мощности генератора.
Метод, позволяющий повысить чувствительность и точность измерений, заключается в двухчастотном зондировании резонансной структуры и оценки параметров огибающей биений двухчастотного сигнала отраженного от или прошедшего через исследуемое устройство [18, 22-24, 28-30, 40-44, 63, 90, 91]. Принцип реализации метода состоит в том, что генерируют двухчастотное зондирующее колебание, подают его на вход и принимают с выхода резонансной структуры, перестраивают частоту зондирующего колебания в диапазоне измерений, соответствующем полосе частот резонансной структуры, регистрируют изменения его параметров, по которым определяют резонансные частоту fv, амплитуду [/р и добротность Q резонансной структуры. Особенностью метода является то, что зондирующее колебание на входе резонансной структуры формируют двухчастотным с двумя составляющими равной амплитуды соответственно на частотах flt и f12 со средней частотой /с — (/и +/12)/2 и начальной разностной частотой Л/Р1 = f1± — f12, меньшей или равной полосе пропускания резонансной структуры, перестраивают среднюю частоту /с, при чем в ходе перестройки Л/Р1 оставляют неизменной, регистрируют изменение средней частоты зондирующего колебания /с = (/і і + /12)/2 и параллельно измеряют коэффициент модуляции т огибающей сигнала биений между составляющими зондирующего колебания на выходе резонансной структуры, по достижении коэффициентом модуляции значения измеряют резонансную частоту /Р резонансной структуры, как равную значению средней частоты /с в данный момент времени и измеряют соответствующую ему амплитуду огибающей сигнала биений между составляющими зондирующего колебания Ut на выходе резонансной структуры, далее не меняя средней частоты /с зондирующего колебания, изменяют начальную разностную частоту А/Р1 на определенную величину 2А/ (рис. 4.12), так что значения частот составляющих зондирующего колебания становятся равны соответственно f21 = /ц — А/ и /22 = fn + А/, а значение разностной частоты А/Р2 = А/Р1 + 2А/ не превышает полосы пропускания резонансной структуры, после чего измеряют амплитуду огибающей сигнала биений между составляющими зондирующего колебания U2 на выходе резонансной структуры, вычисляют резонансную амплитуду UP резонансной структуры по выражению
На рис. 4.13 изображена зависимость коэффициента модуляции огибающей биений сигналов зондирующего колебания, полученного на выходе преобразователя одночастотного колебания в двухчастотное, прошедшего через или отраженного от резонансной структуры и зарегистрированного на выходе детектора, от обобщенной расстройки полосы пропускания резонансной структуры для случая подачи на нее двухчастотного зондирующего колебания с разностной частотой, меньшей или равной ширине указанной полосы пропускания.
Характерной точкой является точка нулевой обобщенной расстройки, которая соответствует равенству средней частоты зондирующего колебания резонансной частоте резонансной структуры. В этом случае амплитуды составляющих зондирующего колебания становятся вновь равными, а коэффициент модуляции огибающей сигнала биений компонент зондирующего колебания на разностной частоте на выходе детектора будет равен единице. Этот факт используют для принятия решения об определении резонансной частоты /р резонансной структуры.
Похожие диссертации на Брэгговские СВЧ-структуры в коаксиальном кабеле для систем контроля уровня жидких сред
