CC BY
45
УДК 532.4,621.372.413
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ЖИДКИХ СРЕД ПО ЗАТУХАНИЮ СВЧ ПОЛЯ А.Л. Шаталов, М.А. Суслин
В статье предложен метод контроля влагосодержания авиационных технических жидкостей и взрывопожаробезопасных топлив путем реализации полубесконечного пространства. Приведены результаты экспериментов по определению влагосодержания в СВЧ-печи
Ключевые слова: технические авиационные жидкости, взрыво-пожаробезопасные топлива, коэффициент затухания
Технические жидкости в виде бинарных растворов (гидравлические, антиобледенительные, охлаждающие, технологические растворители и т.д.) широко используются в авиации, при эксплуатации автомобильной и бронетанковой техники. Так спир-то-водные смеси различной крепости и смеси на основе спирта и этиленгликоля составляют основу антиобледенительных и охлаждающих жидкостей для систем летательных аппаратов. Этиленгликоль также широко используется при приготовлении антифризов и теплоносителей в различных устройствах. Влагосодержание этиленгликоля может влиять на эксплуатационные характеристики теплоносителей, что особенно важно при разработке и эксплуатации систем особо высокой надежности.
В настоящее время появились сведения о разработке и использовании пожаро-
взрывобезопасных дизельных топлив для бронетанковой и автомобильной техники (ПБД-Л - пожаровзрывобезопасное дизельное летнее топливо). ПБД-Л топливо содержит до 15 % эмульсионной влаги. Данный вид топлива представляет собой высокостабильную водно-топливную эмульсию. Водяной пар очень теплопроводен и быстро отводит тепло из нагретого объекта, наличие эмульсионной влаги и определяет эту способность отводить тепло. Экспресс-контроль с высокой точностью таких жидкостей в процессе производства и перед непосредственным использованием также достаточно актуален (эмульсия сохраняется ограниченное время).
Наиболее часто величину влажности различных сред измеряют на сверхвысоких частотах резо-наторными методами, т.е. измеряют изменение собственных частот резонаторов и их добротности при размещении в них небольшого количества измеряемой среды. Небольшое количество измеряемой среды здесь является решающим условием, т. к. необходимо поместить измеряемую среду в резонаторе так, что бы заведомо сохранит вид собственной моды резонатора, на которой производятся измерения. Количество измеряемой среды, помещаемой в резонатор, должно быть тем меньшим, чем большую
Шаталов Александр Леонидович - МГУИЭ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8-916-806-28-86 Суслин Михаил Алексеевич - ВАИУ, канд. техн. наук, доцент, тел. (473)222-89-81; 8-910-857-01-05
величину диэлектрической проницаемости она имеет и чем большим поглощением обладает.
Оборудование, необходимое для таких измерений, является довольно сложным и прецизионным и поэтому не может применяться в полевых условиях. В этом случае необходимо применить такое оборудование, которое давало бы необходимую информацию при менее сложном оборудовании.
Такому требованию может удовлетворить способ измерения влажности по измерению глубины проникновения электромагнитного поля СВЧ в среду, влажность которой необходимо определить. Глубина проникновения определяется и диэлектрической проницаемостью и фактором диэлектрических потерь измеряемой среды. Т. е. такой способ измерения заведомо должен опираться на предварительную тарировку измеряемой среды, которая может быть проведена один раз для различных влажностей и далее служить репером при определении применимости топлива или иной жидкости к применению, или негодности.
Но применяемое оборудование намного проще и поэтому может применяться в полевых условиях.
Предлагаемый метод опирается на моделирование полубесконечного полупространства измеряемой среды и в этом полупространстве производится измерение глубины проникновения электромагнитной волны. В литературе не удалось найти экспериментальных данных, которые относились бы к прямому отсчету изменения интенсивности потока энергии или напряженности поля по глубине проникновения СВЧ поля в поглощающую жидкость. Коэффициенту поглощения посвящено большое количество исследований, но они выполнены по данным о факторе диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости, которые измерены косвенно, по амплитудно-частотным характеристикам резонаторов или волноводов измерительной волноводной линии.
Суть метода заключается в следующем. В замкнутый металлический объем помещается сосуд с радиопрозрачными стенками, заполненный исследуемой жидкостью. Размеры металлического объема и сосуда с исследуемой жидкостью выбирают заведомо много большими глубины проникновения электромагнитной волны в исследуемую жидкость. Тем самым моделируется бесконечное полупространство поглощающей среды из исследуемой
жидкости. Измерив глубину проникновения электромагнитной волны в исследуемую жидкость по кривой спадания напряженности с расстоянием от поверхности, определяют неизвестное влагосодер-жание.
Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1. Здесь: 1 - датчик напряженности поля; 2 - измерительный прибор датчика; 3 - сосуд с исследуемой средой; 4 - объем, в который излучается СВЧ поле; 5 - окно возбуждения внутреннего объема; 6 - отрезок прямоугольного волновода; 7 -воздухоохлаждаемый магнетрон; 8 - линейка регистрации глубины погружения датчика.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки для измерения коэффициента поглощения СВЧ поля в жидкости
В хорошо поглощающих средах, опираясь на приближенные граничные условия Щукина - Рыто-ва - Леонтовича [6], можно положить, что направление распространения фронта волны в жидкости перпендикулярно к поверхности в точке падения. В этом направлении, т.е. по перпендикуляру к свободной поверхности жидкости, напряженность электрической составляющей поля, представленная в комплексном виде, изменяется по следующему закону
Е
7 ' —к'" —¡к"
п Еое е
где Е0 - напряженность электрического поля непосредственно у поверхности внутри жидкости; к’ -коэффициент распространения, определяемый действительной составляющей диэлектрической проницаемости; к" - коэффициент поглощения, определяемый обеими составляющими комплексной диэлектрической проницаемости.
Условие перпендикулярности распространения проникающей волны к свободной поверхности жидкости обеспечивается не только большим значением диэлектрической проницаемости исследуемой среды, но и большим ее количеством. Размеры радио-прозрачного сосуда и размещение измерительной антенны в жидкости выбраны так, что все волны,
паразитные по отношению к проникшей по нормали к свободной поверхности, которые могут поступать с любых сторон к измерительной антенне, должны преодолевать расстояние, много большее глубины проникновения в исследуемую среду, а следовательно, затухают не доходя до антенны.
Затухание напряженности обусловлено экспонентой с коэффициентом поглощения к" в показа-
теле
Еп = Е0е
Глубина проникновения д определяется как расстояние, на котором напряженность электрической составляющей поля уменьшается в е раз
Еп
е =-
Е0
= е
-к" 3
Показатели обеих экспонент в этом выражении
одинаковы, поэтому
1 = — к"3,
где д - глубина, на которой напряженность снижается в е = 2,72 раз. Минус здесь может быть опущен, т. к. он определяет направление изменения напряженности (увеличение или снижение) и в дальнейшем ничего не значит. Поэтому, выражая глубину проникновения через диэлектрические свойства жидкости, получаем
3 =------1----•
0,5к tgдn
В этом соотношении учтено, что коэффициент поглощения к" связан с волновым вектором к’ и тангенсом угла диэлектрических потерь tgдn, следующим соотношением
к " = 0,5к' tgSп,
а волновой вектор определяется действительными частями комплексных величин диэлектрической и магнитной проницаемостей
к' =
Тангенс же угла диэлектрических потерь равен отношению
tg3п =-а .
Если пренебречь отличием действительной части магнитной проницаемости ¡л’ от единицы (что вполне допустимо для органических жидкостей и воды), то глубина проникновения в конечном виде для исследуемого раствора представляется выражением
3==^
0,5 а а а
Для всех применяющихся технических жидкостей, влажность которых необходимо контролировать, определяют тарировочные кривые для различных значений влажности и далее используют величину глубины проникновения, полученную в конкретном измерении, для определения допустимости ее использования путем сравнения с тарировочной.
Далее приведены примеры измерения для различных типов технических жидкостей. В качестве исследуемой жидкости использовались: вода, этиловый спирт с 70% и 30% содержанием воды. Комплексные диэлектрические проницаемости названных жидкостей при 1=20 0С и для частоты 2,7ГГц соответственно равны [4]: а = 78,2 + 713,1;
а = 62,5 + 718,7; а = 37,2 + у 20,1
Основой экспериментальной установки служила резонаторная камера бытовой микроволновой печи “Электроника”, частота магнетрона - 2,45 ГГц. В ней был размещен сосуд прямоугольной формы, выполненный из оргстекла толщиной 3 мм (частично радиопрозрачный материал) таких размеров, чтобы между стенками резонаторной камеры и стенкой сосуда с жидкостью было расстояние меньшее половины длины волны. Это условие затрудняет распространение волн с боковых поверхностей сосуда внутрь его. Схема экспериментальной установки показана на рис. 1.
Внутри этого сосуда располагался датчик напряженности в виде дипольной антенны, кабель от которого, через отверстие в дне уходил за пределы камеры. В блоке питания магнетрона было вмонтировано устройство, с помощью которого можно было включать магнетрон на короткие, с определенной длительностью, экспозиции, задаваемые с точностью до 1 мс. Расстояния от поверхности до антенны в несколько раз меньше, чем до любой из стенок сосуда с жидкостью. Такая конфигурация сосуда и расположения антенны моделируют бесконечное полупространство поглощающей среды, с находящимся в нем датчиком электромагнитного поля. В экспериментах только в непосредственной близости от дна сосуда, на расстоянии нескольких миллиметров от него, проявляется поле, попадающее от нижней стенки сосуда.
Установка работает следующим образом. В сосуд 3 подается исследуемая жидкость с неизвестной влажностью из термостата и заполняет его до уровня, высотой в 12 см. Установление уровня жидкости на этой высоте поддерживается стеканием избытка через сливной патрубок назад в термостат. Перемещением трубки датчика вдоль своей оси, дипольная антенна устанавливается на определенной глубине, а вращением трубки вокруг собственной оси - устанавливается определенная ориентация диполя относительно стенок резонатора.
Емкость сосуда немногим более 18 литров, при габаритах 0,35 х 0,35 х 0,15 м. Отсчет глубины ведется по линейке 8, а угол поворота относительно стенок сосуда по транспортиру (условно не показан). После заполнения сосуда исследуемой жидко-
стью и стабилизации ее температуры включался магнетрон 7, и производилась регистрация напряженности по прибору 2. Для сохранения температуры измеряемой среды неизменной от измерения к измерению магнетрон включали на короткое время, не превышающее 10 - 20 с, которое необходимо для произведения отсчета показания прибора 2. Между двумя последовательными измерениями выдерживали промежуток в несколько минут, для того, что бы термостат мог заведомо сменить весь объем жидкости в резонаторе.
Измерения проводили следующим образом. Антенну датчика устанавливали на определенной высоте и с определенной ориентацией относительно стенок резонатора. Фиксировали положение датчика по линейке и транспортиру. Далее включали магнетрон на время 10 -15 с и за это время фиксировали показание вольтметра 2. После этого выжидали несколько минут (не менее 5 мин., для уверенной смены всего объема жидкости в рабочем сосуде 3), перемещали датчик по высоте в другую точку и все повторяли. Таким образом, проходили всю высоту сосуда 3 с шагом в 1 см вниз, а далее проходили ее в обратном порядке. Эти же измерения проделывали на каждой угловой ориентации диполя антенны.
На рис.2, 3, 4 показаны кривые спадания напряженности с расстоянием от поверхности при различной азимутальной ориентации относительно задней стенки дипольной антенны при различных концентрациях воды в этиловом спирте и в воде.
По массиву экспериментальных значений определялся характер зависимости напряженности электрического поля. Выполнялось это методом нелинейной регрессии. Под нелинейной регрессией общего вида подразумевается нахождение числовых значений параметров K произвольной функции F(x,K1,K2,...,K„) при которых обеспечивается минимальная среднеквадратичная погрешность приближения массива заданных значений к этой функции. Функция F составляется произвольно из элементарных функций, определяются ее производные по каждому из неизвестных параметров K и далее, средствами Mahtcad 14 Pro определяются числовые значения всех введенных параметров.
Массив экспериментальных значений аппроксимировали экспонентой
F (x, a, b) = a exp(- bx).
Параметр а равен значению напряженности поля Е0 непосредственно под поверхностью воды в сосуде. Параметр b равен коэффициенту поглощения а. В результате среднее значение глубины проникновения изменяется от 1,5 см (70% спирт), 2,4 см (30% спирт) до 3,8 см (чистая вода).
I л;.[-ин1 акртшип жи чньа гнз (»(римсгь 7Н1 спрп , чы
1?1 ы тинс1«тнг
Рис. 2. Кривые спадания напряженности электрического в 70% спирте с расстоянием от поверхности при различной ориентацией антенны относительно задней стенки
Рис.3. Кривые спадания напряженности электрического в 30% спирте с расстоянием от поверхности при различной ориентацией антенны относительно задней стенки
Рис.4. Кривые спадания напряженности электрического в воде с расстоянием от поверхности при различной ориентацией антенны относительно задней стенки
Таким образом, предложенное размещение сосуда с исследуемой жидкостью моделирует бесконечное полупространство поглощающей среды, с находящимся в нем датчиком электромагнитного поля. Так как к датчику приходит сигнал только с одной стороны, то нет необходимости бороться с высшими модами, отсутствуют жесткие требования к согласованному режиму генератора и нагрузки, при этом обеспечивается широкий диапазон измерения влажности.
Литература
1. Неразрушающий контроль и диагностика. Справочник под редакцией В.В.Клюева -М.: Машиностроение. 1995.
2. Берлинер М. А. Измерение влажности -М.: Энергия 1973.
3. Данилин А. А. Измерения в технике СВЧ. -М.: Радиотехника, 2008. -С.183.
4. Ахадов Я.Ю. Диэлектрические свойства бинарных растворов. -М.: Наука, 1977. - 391 с.
5. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. - М.: ГИФМЛ, 1963. - 403 с
6. Семенов Н.А. Техническая электродинамика. М.: Связь, 1973. 477 с.
Московский государственный университет инженерной экологии Военный авиационный инженерный университет (г. Воронеж)
INVESTIGATION OF THE POSSIBILITY TO MEASURE THE MOISTURE CONTENT IN BINARY SOLUTIONS BY MICROWAVE FIELD ATTENUATION
A.L. Shatalov, M.A. Suslin
This article deals with a method of the moisture content control of aviation technical liquids and explosion- and fire proof fuels by implementing a semi-infinite space. Experimental results of moisture content determination in a microwave oven are presented
Key words: aviation technical liquids, explosion- and fire proof fuels, damping coefficient
