Содержание к диссертации
Введение и постановка проблемы 6
Глава 1. Характеристики первичных преобразователей и обзор радиоволновых методов измерения неэлектрических величин 11
1.1.Оценка чувствительности и точности первичных преобразователей 11
1.2.Измерение параметров потока, расхода, уровня 16
1.3.Измерение физико-химического состава, свойств веществ 22
1 А контроль и измерение других физических величин 28
Выводы по первой главе 33
Глава 2. Принципы построения и основы теории дистанционных микроволновых датчиков технологических параметров 35
2.1 .Датчики герметичности заполненных средой предметов 36
2.1.1.Метод открытых резонаторов для определения герметичности 47
2.1.2.Интерферометрический принцип измерения герметичности 54
2.1.3.Пути повышения чувствительности и точности датчиков герметичности 56
2.1.4.Инвариантное к высоте изделия определение герметичности 63
2.2.Датчики порозности кипящего слоя в котлеагрегате 66
2.2.1.Статистическая обработка информативного сигнала датчика порозности
2.2.2.Экспериментальное исследование датчика порозности 85
2.3.Принципы построения датчиков уровня расплавленного металла 91
2.3.1.Фазовый метод измерения уровня расплавленного металла 101
2.4.Датчики штучных изделий на конвейере 103
2.4.1.Датчик с одной рупорной антенной 107
2.4.2.Датчик на основе временного запаздывания 114
2.5.Датчик толщины плоских материалов 117
Выводы по второй главе 123
Глава 3.Основные положения теории и принципы построения вблизи измеряемого объекта работающих микроволновых датчиков технологических параметров 125
3.1.Принципы построения микроволновых датчиков влажности в нефтепотоках 126
3.1.1.Экспериментальное исследование двухчастотного датчика влажности 132
3.1.2.Принципы измерения влажности на основе замедления волны в водоэмульсионном нефтепотоке 140
3.1.3.Датчик влажности на базе открытых резонаторов 144
3.1.4.Принципы измерения влагосодержания на основе двух разных по характеру изменений сигналов 148
3.1.5.Принципы построения датчиков большого объема влагосодержания в нефтепотоке 163
3.2.Принципы построения датчиков оплошности. 174
3.2.1.Комбинированный принцип построения датчика оплошности 181
3.2.2.Способ уменьшен погрешности датчика оплошности... 186
3.3. Принципы построения датчиков объемного и массового расходов 191
З.З.1. Прищепы измерения скорости и массового расхода на основе двух про модулированных по амплитуде сигналов 198
3.4 Принцип измерения свободного газа в потоке нефти 212
Выводы по третьей главе 215
Глава 4.Теория и принципы построения условно контактных датчиков
физических параметров 217
4.1.Измерение плотности сахарного сиропа 217
4.2.Измерение уровня жидкостей в сосудах 227
4.2.1.Принцип измерения уровня жидкости на основе двух несимметричных по геометрической длине волноводов 231
4.2.2.Способ уменьшения влияния диэлектрической проницаемости на результат измерения уровня 234
4.2.3.Уменыпение влияния диэлектрической проницаемости жидкости на основе модулированных по частоте колебаний 238
4.3.Измерение физических параметров диэлектрических веществ на основе кольцевых резонаторов 242
4.3.1.Измерение плотности вещества 245
4.3.2.Измерение влажности в потоке нефтепродуктов 247
4.3.3.Измерение массового расхода вещества 250
4.3.4.Принцип построения покомпонентного расходомера вещества 254
4.4.Двухканальный принцип измерения расхода топлива 259
4.5.Фазовое измерение физических параметров диэлектрических жидких потоков 263
4.5.1.Фазовое измерение концентрации сгущаемых растворов 271
Выводы по четвертой главе 277
Заключение 279
Литература 282
Введение к работе
Во многих отраслях промышленности автоматизация технологических процессов и управление ими невозможны без высокоэффективных измерительных устройств и их основных функциональных элементов - датчиков. Поэтому разработку и создание датчиков всевозможных технологических параметров можно считать актуальной проблемой при осуществлении научно-технического прогресса.
Из всех известных к настоящему времени датчиков технологических параметров, основанных на различных физических явлениях и принципах измерения, наиболее перспективными, с точки зрения конструктивной простоты, надежности первичных преобразователей, универсальности по измеряемым средам и т.д., являются радиоволновые датчики физических параметров.
В основе принципа действия радиоволновых датчиков лежит волновой эффект взаимодействия электромагнитных волн широкого диапазона длин с измеряемыми объектами.
На базе антенных, волноводных, резонаторных систем и других элементов высокочастотной,сверхвысокочастотной и инфракрасной техники созданы измерители неэлектрических величин, которые нашли широкое применение на транспорте, в нефтедобывающей промышленности, металлургии и в ряде других отраслей промышленности.
Важный вклад в известные к настоящему времени и доступные к широкому кругу специалистов теоретические и практические разработки радиоволновых датчиков физических параметров внесли д.т.н., профессор В.А. Викторов, к.т.н. Б.В. Лункин, д.т.н. А.С. Совлуков и другие отечественные и зарубежные исследователи. Несмотря на большое количество разработок по созданию и применению радиоволновых датчиков технологических параметров, многие задачи теории и практики радиоволновых методов и средств контроля остаются принципиально нерешенными.
Проведенный анализ отечественной и зарубежной библиографии по созданию и примениению радиоволновых датчиков позволяет выявить практически отсутствие необходимой статистической обработки выходных информативных сигналов датчиков динамических параметров (объемный и массовый расходы), и методов, обеспечивающих исключение влияния дестабилизирующих факторов на результат измерения. Крайне мало работ, посвященных использованию для зондирования контролируемого объекта сантиметровых, миллиметровых и более коротких длин волн, позволяющих повышение чуствительности и точности измерения, а также относительно простое встраивание этих датчиков в информационно-технические системы и производственно-технологические установки. В большинстве работ отсутствует многоинформативность датчиков, обеспечивающих повышение точности измерения на основе анализа и преобразования информативных характеристик радиоволновых датчиков. Кроме того, современное состояние радиоволновых измерений технологических параметров в связи с возросшими требованиями к датчикам не позволяет создавать высокоэффективные и конкуректноспособные датчики. Все это, а также широкие информативные возможности радиоволновых методов, которые еще не исчерпаны и не исследованы, стимулирует развитие радиоволнового метода измерения по решению существующих и появившихся новых проблем в измерительной технике, в том числе принципиально не решаемых другими методами.
Диссертация посвящена развитию радиоволнового метода измерения неэлектрических величин, основанного на волновом эффекте электромагнитных колебаний, включающего вопросы теоретических и экспериментальных исследований, разработки основ и создания новых микроволновых датчиков технологических параметров различных сред с высокой точностью и чувствительностью измерения.
В данной диссертационной работе были поставлены и решались следующие задачи:
1. Теоретические и экспериментальные исследования, создание микроволновых дистанционных, вблизи измеряемого объекта работающих и условно контактных датчиков технологических параметров, физические принципы которых основаны на характеристиках распространения электромагнитных волн, резонансных свойствах колебательных систем, поляризации волн и эффекте Доплера.
2. Разработка и исследование высокочувствительных и высокоточных методов измерения физических параметров различных сред, в том числе движущихся, включающие теоретический анализ влияния дестабилизирующих факторов и способов получения информации на результат измерения, статистический анализ и исследование характеристик случайных информативных об измеряемом динамическом параметре сигналов.
3. Разработка и исследование основ создания микроволновых датчиков с чувствительными элементами на базе конструкции объекта контроля и новых элементов микроволновой техники.
4. Разработка и создание макетных образцов высокочастотных, сверхвысокочачтотных и инфракрасных датчиков различных физических параметров и изготовление нестандартного оборудования для проведения испытаний датчиков.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Первая глава содержит оценку чувствительности и точности преобразования неэлектрических величин. Аналитический обзор существующих радиоволновых методов и средств контроля различных технологических параметров. Показаны основные тенденции развития исследований и разработок радиоволновых датчиков с различными принципами построения и их перспективность.
Вторая глава посвящена разработке и исследованию принципов построения дистанционных датчиков различных технологических параметров. Предложены новые методы получения информации о физических параметрах, базирующиеся на характеристиках распространения электромагнитных волн и резонансных свойствах колебательных систем. Теоретический метод повышения точности и чувствительности измерения основан на теории комплексного преобразования контролируемого объекта. Метод статистического анализа характеристик информативных случайных сигналов базируется на теории случайных процессов. Рассмотрены результаты лабораторных и промышленных испытаний макетных образцов микроволновых датчиков.
Третья глава посвящена результатам разработки и исследования принципов построения вблизи измеряемого объекта работающих датчиков физических параметров. Теоретический анализ принципов измерения базируется на теории распространения электромагнитных волн в волноводах и резонаторах с различными способами ввода в трубопровод и вывода из него сигналов. Предложены способы исключения влияния дестабилизирующих факторов на результат измерения. Разработанный и исследованный принцип измерения динамических параметров основан на объединении микроволнового метода получения информации и метода статистической обработки случайных сигналов. Предложены методы измерения физических параметров сред с учетом их электромагнитных свойств и структуры. Рассмотрены вопросы, связанные с
разработкой, созданием макетных образцов микроволновых датчиков и изготовлением нестандартного оборудования для проведения лабораторных испытаний датчиков.
Четвертая глава посвящена разработке и исследованию принципов построения условно контактных датчиков физических параметров. Теоретический анализ принципов измерения базируется на волновом эффекте взаимодействия электромагнитных волн с коїпролируемьш объектом в резонансных и нерезонансных полостях. Предложены и исследованы новые принципы построения датчиков высокой точности измерения. Разработаны методы измерения физических свойств двухкомпонентных веществ и их динамических параметров основаны на характеристиках колебательных систем и свойствах методов статистической обработки случайных сигналов. Рассмотрены вопросы разработки, создания и лабораторных испытаний датчиков физических параметров веществ, содержащихся в емкостях, перемещающихся по трубопроводам.
