Неразрушающий микроволновой контроль влажности капиллярно-пористых материалов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 543.812:697.93

НЕРАЗРУШАЮЩИЙ МИКРОВОЛНОВОЙ КОНТРОЛЬ ВЛАЖНОСТИ КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ

С.А. Дмитриев, П.А. Федюнин, А.И. Казьмин

Тамбовское высшее военное авиационное инженерное училище радиоэлектроники (Военный институт) ТВВАИУРЭ (ВИ)

Представлена членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым

Ключевые слова и фразы: диэлектрическая проницаемость; микроволновой метод контроля; поверхностная волна; синфазная приемно-передающая рупорная антенна; термовлагометрия; шероховатость поверхности.

Аннотация: Представлен микроволновой неразрушающий метод определения влажности диэлектрических материалов, изделий и покрытий, позволяющий повысить точность измерения влажности, за счет учета электрофизических и геометрических неоднородностей материала и шероховатости поверхности. Описаны установка со специальной приемно-излучающей антенной и алгоритм реализации представленного метода.

В условиях эксплуатации магнитодиэлектрических и диэлектрических материалов и покрытий, в том числе и строительных материалов, возникает проблема учета влияния окружающей среды на их параметры, причем существенное влияние оказывает влажность среды.

В работе [1] разработаны теоретические основы и практические аспекты односторонней микроволновой термовлагометрии. Проведен сравнительный анализ существующих СВЧ-методов и устройств контроля влажности широкого класса материалов, определены достоинства и недостатки микроволновых влагомеров, обоснована необходимость и разработан неразрушающий микроволновой термовлагометрический метод измерения влажности [2]. Сущность разработанного метода заключается в том, что мерой влажности материала является изменение температуры влажного материала при поглощении локализованным минимальным и индицированным его объемом определенной и фиксированной дозы микроволнового излучения бегущей волны.

Предложенный термовлагометрический микроволновой метод [1-2] имеет ряд существенных недостатков, устранение которых позволит существенно уменьшить погрешность и увеличить точность измерений поверхностной влажности Wп. В данном методе контроля влажности:

- не учитывается, отличная от нуля, мнимая часть комплексной диэлектрической проницаемости поверхностного слоя материала е’’п ^п): поверхностную влажность определяют из выражения зависимости действительной части комплексной диэлектрической проницаемости е'п (Wп) от угла полного преломления - угла Брюстера е'п = tg29Бр, а мнимую часть е’п (Шп) считают равной нулю;

- не учитываются шероховатость поверхности объекта контроля (ОК) и неоднородности материала - их учет позволит уменьшить погрешность измерения Wп в 2...2,5 раза по сравнению с [2];

- не учитываются ширина диаграммы направленности (ДН) излучателя и площадь зоны, существенной для отражения;

- существует СВЧ-нагрев, а также контакт с исследуемым материалом [2] из-за наличия измерительных термодатчиков на поверхности ОК;

- точность измерения угла Брюстера зависит от девиации частоты лампового СВЧ-генератора, а реализация способа сложна аппаратурно.

С целью повышения точности и оперативности измерения поверхностной влажности капиллярно-пористых материалов нами разработан неразрушающий микроволновой метод определения влажности, сочетающий в себе достоинства термовлагометрического метода [2], такие как односторонность доступа к ОК и локальность измерений, с возможностью учета шероховатости поверхности ОК и неоднородностей материала [3].

Разработанный метод состоит из двух частей: первая - определение коэффициента «незеркальности», характеризующего шероховатость поверхности материала и неоднородность материала, вторая - определение комплексной диэлектрической проницаемости поверхностного слоя ОК, вычисление поверхностной влажности материала с учетом коэффициента «незеркальности» и определение средней влажности по объему взаимодействия.

Устройство, реализующее разработанный метод, изображено на рис. 1. Оно содержит диодный генератор СВЧ, блок управления ГСВЧ, микропроцессорное устройство (МПУ), блок АПЧ по поиску минимума мощности отраженной волны, блок переключения и подмагничивания линейки приемных вибраторов блока приемных вибраторов, комбинированную приемно-излучающую антенну, два У-циркулятора, диодный переключатель, приемный зонд для измерения мощности отраженной волны Ротр и устройство для измерения температуры окружающей среды (например, термопара, терморезистор, термометр).

Комбинированная приемно-излучающая антенна наполовину заполнена диэлектриком (пенопласт), состоит из круговой синфазной приемно-передающей рупорной антенны с углом раскрыва, обеспечивающим удовлетворительное согласование со свободным пространством, поглотителя затекающего тока, комплексной излучающей антенны, состоящей из четырех симметрично расположенных волноводно-щелевых антенн (ВВЩА), представляющих собой отрезки волновода с продольными щелями в широкой стенке волновода с переменнофазной связью и металлической «прыгающей» диафрагмы.

Устройство работает в двух режимах: первый режим - режим определения, оценки электрофизических и геометрических (топологических) неоднородностей поверхности исследуемого диэлектрического материала, определения коэффициента «незеркальности» Кнз его поверхности и выбор адекватной области определения влажности (где отсутствуют электрофизические и топологические неоднородности: пустоты, твердые включения и др.); второй режим работы - определение поверхностной влажности материала с учетом фрактальной неоднородности поверхности и средней влажности материала по объему взаимодействия.

При реализации первого режима работы, металлическая диафрагма закрыта. Круговой синфазной приемно-передающей рупорной антенной, питаемой ГСВЧ через диодный переключатель и волноводный У-циркулятор (см. рис. 1), возбуждают медленную поверхностную Е-волну с длиной волны генератора X г = 0,55 см вдоль поверхности материала с неизвестными электрофизическими параметрами.

Диодный Блок

генератор управления

СВЧ ГСВЧ

Диодный переклю- чатель

^ Поглощающая нагрузка МПУ

2 режим

ф

Рис. 1. Устройство реализации метода контроля влажности капиллярно-пористых материалов

С помощью системы приемных вибраторов, управляемых МПУ через блок переключения и подмагничивания, в начальной точке поверхности ОК на линии вдоль оси 2, измеряют напряженность поля Е поверхностной волны в нормальной плоскости (по оси У) относительно направления ее распространения (в точке у). Делают первоначальный шаг Ду = ё и измеряют напряженность поля поверхностной волны в точке у + ё .

Рассчитывают коэффициент нормального ослабления а^ из выражения

ai = a(y) = ~ln

d

E (y)

_ Е( у + ё) _

где Е(у) и Е(у + ё) - напряженности поля поверхностной волны в нормальной плоскости относительно направления распространения в разнесенных точках измерений у и у + ё ; ё - расстояние (шаг) между точками измерений.

Мерой параметров неоднородностей поверхностного слоя материала является отклонение распределения напряженности поля ЭМВ от экспоненциального Е(у) = Е0 ехр[-а(у)у], характерного для зоны покрытия без неоднородностей или, что то же самое, непостоянство а(у). Отклонение напряженности поля от экспоненциального есть результат интерференции полей поверхностной медленной волны с рассеянно отраженной от неоднородности быстрой волны, являющейся результатом дифракции медленной поверхностной волны на неоднородности.

Далее переводят систему приемных вибраторов в следующую точку, делая постоянный либо адаптивно изменяющийся относительно величины изменения коэффициента ослабления шаг ё, и повторяют измерения. Определяют в каждой точке измерений совокупность значений коэффициента нормального ослабления поля [3, 4] а / , где/е [1, ., п - 1] - количество точек измерений по нормали к поверхности (по оси У) [3].

Производят подобный цикл измерений в пределах заданной площади сканирования, перемещая блок приемных вибраторов по осям 2 и X с заданным, либо адаптивно меняющимся шагом. В МПУ запоминаются координаты точек сканирования и соответствующие им значения а/ в каждой точке.

Вычисляют среднеквадратическое отклонение коэффициента ослабления поля ста . в каждой точке и его среднее значение стаср по всей площади сканирования. Сравнивают полученное значение ааср с пороговыми значениями отклонения коэффициента ослабления поля Дапор.г-, где /е[1,..., Ж] - количество предварительно заданных дискретных значений Дапор (Дапор.г- е[е12,е,...,е2])

Дасрг = |стаср — Да пор.г|.

Тангенс угла наклона зависимости Дасрг- от пороговых значений отклонения коэффициента ослабления поля Дапор.,- Дасрг- = /(Дапор.г-), полученного в виде линейной функции у = кх + Ь методом наименьших квадратов, есть фрактальная размерность

= tga .

Коэффициент «незеркальности» сканируемой поверхности [5], характеризующий шероховатость поверхности

КНз = 3 — Вг = Н ,

где Н - показатель Гельдера (Херста) - универсальная характеристика самоаф-финной функций, для определения которой не требуется априорного знания о

том, к какому классу функций относится исследуемый сигнал; размерность пространства вложения равна 3 [6].

Таким образом, определив совокупность значений коэффициента нормального ослабления поля а j , получили значение Кнз, исходя из заданной точности,

определяемой набором дискретных значений Лапор.

Для измерения поверхностной влажности и средней влажности по объему взаимодействия переводят измерительное устройство во второй режим работы. Устанавливают комбинированную приемно-излучающую антенну в центре, предварительно выбранной по результатам измерений аj площади сканирования. Открывают металлическую диафрагму. Электромагнитная волна через управляемый МПУ диодный переключатель и второй волноводный У-циркулятор поступает на излучающие волноводно-щелевые антенны, угол наклона максимума диаграммы направленности (ДН) 9гл которых зависит от величины X г возбуждающих СВЧ-колебаний.

Изменяя с помощью блока управления ГСВЧ, сопряженного с МПУ, и блока АПЧ длину волны X г диодного генератора СВЧ, изменяют угол наклона ДН излучающей антенны [7] и добиваются минимума мощности отраженной волны в круговой рупорной антенне.

Минимум мощности отраженной волны Ротр мин пропорционален критерию

Омин минимума напряженности поля отраженной волны в угловом спектре ДН, то есть в зоне, существенной при отражении по максимуму ДН [1]. Введенный нами критерий Омин позволяет учитывать вид ДН щелевого излучателя, ширину ДН и разность хода лучей в ширине ДН.

Выражение для критерия Омин при 2 < е' < 10 , 0 < е" < 1 имеет вид

Рг

ДХГ

е ' е " )К_2 = СО К ~2 =

мин?&п’°п/-^нз .^мин нз

—2

отр мин

9Г(Хг мин )+Л90,5(Х г мин )

=С

л2 в2

9Г (Хг мин ) Л90,5 (Хг мин )

008 Л9

008(9Г (Хг мин ))

й?Л9

где С - коэффициент пропорциональности; Л = Я(Л9, е ', е") - коэффициент отражения:

Л(Л9, е'„, е"„) =

К1 + К 2

V(е п )2 + (е п )2 +е п

008 I

(Л9^ТКТ

К1 + К2 +

008 I

(Л9^ТК1

К1 = •

е п — (8Ш Л9)2 + д/ е'п — (8Ш Л9)2 2+(еп )2

е п + (8Ш Л9)2 +д/ е'п — (8Ш Л9)2 2+(еп )2

К2 ^(еп )2 + (еп)2 (008Л9)2 ;

В = Е(Хг, Л9) - вид ДН щелевого излучателя

Е(Xг, Л9) = 008

^Л9 -9Т (Хг) Л9о,5(Хг) I

2

2

Хг мин - длина волны генератора, при которой наблюдается минимум мощности отраженной волны; 9Т (Хг) - текущий угол наклона ДН определяется выражением

9Т (Хг ) = 90 - аігаіп

1-1- Ат.

2а) 2й

Д9 - переменная интегрирования по ширине ДН, изменяющаяся в пределах

0Т (Х г мин )-Д90,5 (Хг мин )<Д9<9Т (Хг мин ) + Д90,5 (Х г мин ) ; 90- начальный Угол

45 Л1Х

наклона ДН, 9о =---------1---— = 52,124 ; е ’п и е"п - действительная и мнимая

57,3 Ш

части комплексной диэлектрической проницаемости поверхностного слоя; Д9о,5 (Хг) - ширина ДН [7]

Д90 5 (Хг ) = Л1^г,

0,5У т/ на

П

где Л1 = 54,4360, а = 0,003759 м - размер широкой стенки волновода (МЭК-

620); а = 0,003 м - величина противофазного шага; N = 7 - количество щелей в антенне; Хг = 0,005...0,006 м - диапазон перестройки длины волны генератора; Xгн = 0,0055 м - номинальная (средняя по диапазону перестройки генератора) длина волны.

Экспериментальные зависимости 0мин (е 'п, е ’’п) и Хгмин (е 'п, е П), и их аппроксимации с погрешностью соответственно 2,4 и 0,5 % в рабочем диапазоне измерения е 'п = [3...10] представлены на рис. 2.

Аппроксимированные выражения минимума критерия отраженной мощности и зависимости Хг мин от е 'п и е "п будут иметь вид:

Р (є ' є ")К~2 = С

1 отр мин\°П^П’1 ^з ^

0,225єП2 + 18,34єП - 25,4 -13,08є ”} + 0,36єП +

є П(233,1єП - 4,16)(єП + 0,11)2

(є П - 1,05)(єП + 0,11)2 - 0,17(єП + 0,11) + 0,026

10-5, (1)

хг мин (єП, є П) = I 1,24 -10-2 є П2 - 0,4410“2 є П + 6,315 -

27,42 -10-2 є П2 - 8,12 -10-2 є П + 5,347 ^ є П + 0,29єП2 - 2,8 -10-2 є П +1,6

-10-3. (2)

Значение влажности поверхностного слоя определяют через мнимые части диэлектрических проницаемостей поверхностного слоя и свободной воды [1]

е ’’

^ ^ , (3)

е1

где е1 - дисперсионно-температурная зависимость мнимой части диэлектрической проницаемости свободной воды

+

2 3 4 5 6 7 8 9 10 6'

Рис. 2. Зависимости минимума критерия отраженной мощности бмин и соответствующей ему длины волны мин от £П и £П :

----расчетная зависимость;-----аппроксимация

[83,2 - 0,3775/]-

1,21 •10-5exp( 2175

1 t + 273

X Г1

1 + 11,21 •10-5exp( 2175

t + 273

X

г мин

SJi =

2

X

Кроме того, влажность поверхностного слоя можно определить через действительные части диэлектрических проницаемостей поверхностного слоя и свободной воды [1]

11,428

W„2 =

ln6 п - ln6в

ln б1 - ln 6

в

(4)

где е1 - дисперсионно-температурная зависимость действительной части диэлектрической проницаемости свободной воды

83,2 - 0,3775/

61 = 5 +

1Н1,2' •10-5eXP( ))2 [Хгмин -"‘

ев - диэлектрическая проницаемость «сухого» (со связанной влагой) материала, определяемая по обобщенной формуле Рейнольдса и Хью

ев = е0 + е0^св.в (есв — е0 )е0 + 0,33(есв — е0 )] ,

где е0 - диэлектрическая проницаемость обезвоженного строительного материала; есв - диэлектрическая проницаемость связанной воды (4,5...5,8) инвариантна изменению длины волны генератора X г и температуры /, °С; / - температура материала или окружающей материал среды, °С; Wсв в = 0,05 - постоянная величина объемной влажности связанной воды.

Рассчитывают действительную е 'п и мнимую е ”п части комплексной диэлектрической проницаемости поверхностного слоя из уравнений (1) и (2) и, решая (3) и (4), определяют среднее значение влажности поверхностного слоя Шп

Vп =(п1 + Wn2 )/2.

На рис. 3 показан алгоритм определения влажности диэлектрических материалов, изделий и покрытий.

Для определения средней влажности по объему взаимодействия (может быть как меньше, так и больше значения поверхностной влажности Wn в процессе увлажнения или сушки) определяют мощность преломленной волны Рпр = Рпад - Ротр.мин и из выражения мощности поглощаемой 1 м3 в 1 с энергии активных поляризационных потерь

12

, (5)

Рпр = f 606" (W)

-^ср

_е п (Wn )_

где Еср и Ет/2 - средняя напряженность электрического поля преломленной

волны внутри материала; Ет = 1,41^70Рпад - мощность, переносимая волной; 20 - волновое (характеристическое) сопротивление свободного пространства, равное 377 Ом.

Из уравнения (5) можно выразить величину мнимой части диэлектрической проницаемости е материала

е " = 0,64

РпрЛ- мин (6 П (Wn ))2 P

1 пад

— 2-

1 режим работы. 1. Дискретное скан, поверхи.; 2.Измерение в каждой точке а j = а j (y j) = ^-ln [е (y j ^)/E (y j)] 3. Опре деление

1 n-і d

а cr = “ Е а j > Да max = а jmax - а cp і 4- СрОВНв НИЄ Да max С

j=1

заданными ДаШр,-, i e[l...N ] : Да = Дапор - Да max ;

5,Определ. по массиву Да границ неоднородности S} (где Да Ф 0 )

z кон хкон

и SjS ; б.Определ. «инф.» объёма V = Е ЕДаi' Дхі' Дzi ;

7.Определение интегрального параметра

Даэфф = V/Sb l^1

Определение математического ожидания

' п j=і

дисперсии коэффициента затухания D = — Е (а, - та Г,

J п . , J J ’

/ < tV

— 4-

Аасрі=Р«ир-Лап«

— 5-

1-6-

Df, Kнз

CKO коэффициента затухания поля оа> значения по всей площади сканирования

1. Методом наименьших квадратов

определение Д«ср, = {(Аа пор./) 5

2. Фрактальная размерность = *ёа где а - угол наклона функции ;

3. Определение Кнз = 3 - Б/ .

2 режим работы.

1. А^г - определяется заданной

точностью; 2. Задаются ^г нач = хг 0 ,

7=1

и его среднего

Хг

Да

эфф.зад

3. Вычисление площади, где

Даэфф < Даэфф.зад •

і- №пЛ)=р„-к;2 ,

^rmin —**

2. Кі=Еп К ,

= [(1пЄп - 1пє'2ср)/(іпє; - ine'Jp*

^п=(^пі+^п2)/2 ;

о р =р -Р .

-3. пр пад отр.гтп ,

4 » п^Рпр-^гтп'(е'п(Ю)2 •

є =0,64— ----------------- »

Л™

і— 11

Аг=Ан-1,

= Хг£-1 +&кг

\ Цикл 2 /

і— 12 Рг

— с> отр.^-1 1 с

' 8"

'п’ьп’

W

отр. min Wп

5. Ж = г,,/г,1 Рис. 3. Алгоритм определения поверхностной влажности

Влажность материала по объему взаимодействия V рассчитывается по фор-

V = е”/е!.

Выбор рабочей длины волны Xг и 0,55 см (она в три раза меньше «резонансной» Xг и 1,74 см, используемой нами в [1, 2]) продиктован необходимостью уче-

муле

x

о

О

та неоднородностей (шероховатостей) реальных поверхностей, реализации более узкой ДН, возможностью измерения малых величин 6 П (Хг) и т.д. Кроме того, выбранная длина волны позволяет производить контроль влажности образцов толщиной до 4 мм, в том числе различных диэлектрических покрытий [1].

Разработанный нами метод позволяет увеличить чувствительность и повысить точность измерения поверхностной влажности диэлектрических материалов за счет учета: мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости поверхностного слоя, ширины ДН излучателя, электрофизических неоднородностей и шероховатости поверхности исследуемого материала.

Метрологический анализ приведенного метода показывает, что погрешность измерений уменьшена по сравнению с [2] в 2,5 раза, абсолютная погрешность определения влажности W (max): AW < 0,5...0,6 % объемной влажности.

Список литературы

1. Микроволновая термовлагометрия / П. А. Федюнин [и др.]. - М. : Машиностроение, 2004. - 230 с.

2. Пат. 2269763 Российская Федерация, МПК7 G 01 N 9/36, 22/04. Неразрушающий СВЧ-способ контроля влажности твердых материалов и устройство для его реализации / Тетушкин В. А., Федюнин П.А., Дмитриев Д.А., Чернышов В.Н. ; заявитель и патентообладатель Тамб. гос. техн. ун-т. - № 2004108282/09 ; заявл. 22.03.04 ; опубл. 10.04.06, Бюл. № 4. - 15 с.

3. Пат. 2256165 Российская Федерация, МПК7 G 01 N 22/02, G 01 R 27/26. СВЧ-способ локализации неоднородностей диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытий на металле и оценка их относительной величины / Федюнин П.А., Дмитриев Д.А., Каберов С.Р. ; заявитель и патентообладатель Тамб. высш. воен. инженер. училище радиоэлектроники. - № 2003126856/09 ; заявл.

01.09.03 ; опубл. 10.07.05, Бюл. № 19. - 12 с.

4. Поверхностные волны и микроволновые устройства контроля электрофизических параметров магнитодиэлектрических покрытий на металле / Д. А. Дмитриев [и др.] ; под. ред. Н.П. Федорова. - М. : Машиностроение-1, 2004. - 190 с.

5. Подповерхностная радиолокация / М.И. Финкельштейн [и др.] ; под. ред. М.И. Финкельштейна. - М. : Радио и связь, 1994. - 216 с.

6. Потапов, А.А. Фракталы в радиофизике и радиолокации. Топология выборки / А.А. Потапов. - М. : Университетская книга, 2005. - 847 с.

7. Федюнин, П.А. Приемно-излучающие измерительные апертуры микроволнового неразрушающего термовлагометрического метода контроля твердых материалов / П.А. Федюнин, Д.А. Дмитриев, С.А. Дмитриев // Контроль. Диагностика. - 2006. - № 3. - С. 44-55.

Nondestructive Microwave Control over Moisture in Capillary Porous Materials

S.A. Dmitriev, P.A. Fedyunin, A.I. Kazmin

Tambov Higher Military Aviation Engineering College of Radio-Electronics (Military Institute)

Key words and phrases: dielectric penetrability; microwave method of control; synphase receiving-transmitting horn aerial; surface roughness; surface wave; thermo-and-moisture-metry.

Abstract: The paper presents microwave nondestructive method of

determination of moisture in dielectric materials, products and coverings; it enables to improve the accuracy of measuring moisture taking into account electro-physical and geometric heterogeneity of material and surface roughness. The unit with a special receiving-transmitting horn aerial and the algorithm of implementation of the presented techniques are described.

Unzerstorende Mikrowellenkontrolle der Feuchtigkeit der kapillarporosen Stoffe

Zusammenfassung: Es ist die mikrowellische unzerstorende Methode der Bestimmung der Feuchtigkeit der dielektrischen Stoffe, der Erzeugnisse und der Deckungen angefuhrt. Sie erlaubt die Genauigkeit der Messung der Feuchtigkeit infolge der Berucksichtigung der elektrophysikalischen und geometrischen Ungleichungen des Stoffes und der Unebenheit der Oberflache zu erhohen Es sind die Anlage mit der speziellen empfangausstrahlenden Antenne und der Algorithmus der Realisierung der gegebenen Methode beschrieben.

Controle non-destructif a micro-ondes de l’himidite des materiaux capillaires poreux

Resume: Est presente le controle non-destructif a micro-ondes pour la definition de l’himidite des materiaux dielectriques, des articles finis et des couvertures permettant d’augmenter la precision de la mesure de l’himidite compte tenu du calcul des heterogeneites du materiel et de la surface poreuse. Sont decrits l’installation avec une antenne speciale receptrice-emetteuse et l’algorithme de la realisation de la methode presentee.