Тороид. Производство электротехнической продукции
(49831) 4-66-21
(925) 790-73-23
toroid2011@mail.ru

Главная Продукция и услуги Статьи Полезная информация Сертификаты Награды Отзывы Контакты

Продукция и услуги

Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С.
Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин

АКАДЕМИЯ НАУК СССР
МИНИСТЕРСТВО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ, СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
ОРДЕНА ЛЕНИНА ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ УПРАВЛЕНИЯ

ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКА»
МОСКВА
1978

Викторов В. А., Лункин Б. В., Совлуков А. С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. Москва, «Наука», 1978.

Монография обобщает результаты исследования и разработки измерителей неэлектрических величин (уровня, количества, положения границ раздела, сплошности, малых расстояний, расхода и др.), использующих свойства электромагнитных систем с распределенными параметрами (длинных линий, волноводов, резонаторов и др.). Обсуждаются основы теории, принципы построения и применение измерителей общепромышленного и частного назначения.

Ответственный редактор академик Б. Н. ПЕТРОВ

Редактор В. А. Климов.
Редактор издательства Ю. А. Юдина
Художник М. Р. Ибрагимов.
Художественный редактор Н. Н. Власик
Технический редактор И. Н. Жыуркина
Корректоры Н. Г. Васильева, Т. В. Гурьева

Издательство «Наука», 1978 г.

Содержание книги
Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин

Предисловие
Введение

Глава I. Физические основы высокочастотного метода измерения
1. Электромагнитные системы с распределенными параметрами
2. Взаимодействие электромагнитного поля с контролируемыми объектами

Глава II. Информационные возможности высокочастотного метода измерения
1. Интегральные характеристики электромагнитных систем с распределенными параметрами
2. Резонансная частота электромагнитных колебаний
2-1. Общие соотношения
2-2. Методика расчета частотных характеристик отрезков длинных линий и волноводов
2-3. Влияние контролируемых объектов на резонансные частоты отрезков длинных линий
2-4. Приближенные соотношения для основной резонансной частоты отрезков длинных линий
2-5. Влияние контролируемых объектов на резонансные частоты резонаторов объемного типа
3. Число резонансных импульсов ва конечном интервале частот
4. Некоторые другие интегральные характеристики
4-1. Время распространения электромагнитного сигнала и его функции
4-2. Число максимумов или минимумов напряженности поля стоячей волны проходящих через фиксированную точку в поле волны, на определенном интервале частот
4-3. Частотный сдвиг модулированной по частоте падающей волны по отношению к отраженной волне
4-4. Фазовый сдвиг падающей и отраженной волн
4-5. Доплеровский сдвиг частоты
4-6. Мощность волны, прошедшей через контролируемую среду

Глава III. Принципы построения и области применения высокочастотных измерителей неэлектрических величин
1. Обзор некоторых задач измерения неэлектрических величин
2. Принципы построения и возможности высокочастотных измерителей неэлектрических величин
3. Структурные схемы высокочастотных измерителей
3-1. Структурные схемы одноканальных измерителей с преобразованием резонансной частоты
3-2. Структурные схемы многоканальных измерителей с преобразованием резонансных частот
3-3. Структурная схема измерителя с преобразованием числа типов колебаний на фиксированном интервале частот
3-4. Структурные схемы измерителей с преобразованием времени распространения электромагнитного сигнала
3-5. Структурная схема измерителя с преобразованием доплеровского сдвига частоты
3-6. Структурные схемы измерителей с преобразованием амплитуды или мощности отраженной или прошедшей волны
3-7. Структурные схемы измерителей с преобразованием фазового сдвига падающей и отраженной волн
3-8. Структурные схемы измерителей с преобразованием частотного сдвига модулированной по частоте падающей и отраженной волн
3-9. Структурная схема измерителя с датчиком типа «бегущая волна»
4. Достоинства измерителей с датчиками в виде электромагнитных систем с распределенными параметрами

Глава IV. Теория н принципы построения высокочастотных измерителей уровня
1. Области применения высокочастотных измерителей и сигнализаторов уровня, использующих в качестве датчиков отрезки длинных линнй
2. Датчики на отрезках длинных линий для непрерывного измерения уровня
2-1. Резонансные датчики уровня электропроводных сред
2-2. Резонансные датчики уровня диэлектрических сред
2-3. Резонансные датчики с диэлектрическим покрытием проводников отрезков линии
2-4. Высокочастотные импульсные датчики уровня
3. Структуры и алгоритмы инвариантных резонансных измерителей уровня
4. Радноинтерфереиционные уровнемеры
5. Принципы построения СВЧ-уровнемеров
6. Датчики для дискретного измерения уровня
6-1. Резонансные датчики для многопозиционной сигнализации
6-2. Датчик типа «бегущая волна»
7. Высокочастотные уровнемеры и сигнализаторы уровня общепромышленного и частного назначения
7-1. Агрегатный комплекс унифицированных высокочастотных измерителей и сигнализаторов уровня жидких и сыпучих сред в блочно-модульном исполнении
7-2. Высокочастотные уровнемеры частного применения

Глава V. Теория и мцинциим построения высокочастотных измерителей количества (объема, массы)
1. Физические основы работы высокочастотных измерителей количества
2. Резонансные высокочастотные измерителя количества диэлектрических сред (теоретические предпосылки построения)
3. Датчики количества среды, занимающей область с плоской границей раздела, при произвольном положении сосуда
3-1. Датчики в виде связанных отрезков длинных линий
3-2. Система из двух вложенных друг в друга металлических поверхностей
4. Резонансные датчики количества среды, произвольно распределенной в сосуде
4-1. Датчики, содержащие тонкую металлическую линию, распределенную по объему сосуда
4-2. Принципы построения резонансных высокочастотных датчиков массы
5. Способы компенсации методических погрешностей резонансных высокочастотных датчиков количества
6. Возможности метода счета числа резонансных импульсов на конечном интервале частот для измерения количества среды
7. Высокочастотные измерители количества

Глава VI. Теория и принципы построения измерителей положения границ раздела, сплошности, малых расстояний и ряда других неэлектрических величин
1. Измерение положения границ раздела между компонентами среды и количества каждой компоненты
1-1. Измерение положения границы раздела между компонентами двухкомлонентной среды
1-2. Измерение положения границ раздела между компонентами и количества каждой компоненты многокомпонентной среды
2. Измерение сплошности потоков и средней плотности сред
2-1. Измерение средней плотности
2-2. Измерение сплошности двухфазных потоков сред
3. Измерение малых расстояний
3-1. Датчик в виде отрезка длинной переменной нагрузкой
3-2. Простейшие типы длинных линий в качестве датчиков малых расстояний
3-3. Повышение чувствительности датчика на отрезках длинной линии, возбуждаемого на разных собственных частотах
4. Измерение геометрических размеров изделий
5. Измерение влажности различных сред
6. Измерение скорости потока и расхода жидких и сыпучих сред

Заключение
Литература

ПРЕДИСЛОВИЕ

В связи с повышением требований к точности и надежности из-мерительных устройств, используемых в различных отраслях народного хозяйства, и расширением круга решаемых задач в настоящее время внимание многих исследователей направлено на поиски новых методов построения измерителей, поскольку известные методы или не обеспечивают выполнение предъявляемых к ним требований, или вообще не применимы для решения поставленных задач.

В настоящей работе рассматривается высокочастотный метод измерения неэлектрических величин, получивший в последние годы значительное развитие. Высокочастотные измерительные устройства, построенные по этому методу, имеют в качестве первичных преобразователей (датчиков) электромагнитные системы с распределенными параметрами и используют в качестве интегральных характеристик различные свойства таких систем. В настоящее время метод вышел за рамки теоретического рассмотрения и экспериментальных исследований. Накопленный материал и практический опыт широкого использования высокочастотных измерителей показывают, что рассматриваемый метод позволяет весьма .эффективно решать многие задачи измерительной техники, причем области его применения постоянно расширяются.

Наибольшее применение на практике в качестве датчиков получили различного типа отрезки длинных линий. Используя такие положительные свойства высокочастотных систем с распределенными параметрами, как большие информационные возможности (наличие у одного датчика нескольких независимых выходных характеристик), высокая надежность, конструктивная простота, независимость выходных характеристик от изменения погонных размеров датчиков, высокая стабильность характеристик, удалось создать измерители уровня, количества, положения границы раздела, расхода жидких и сыпучих сред, геометрических размеров изделий, малых расстояний и т. п. Созданные системы, отличаются высокими метрологическими характеристиками, простым и надежным датчиком.

При создании рассматриваемого класса измерителей использовалось сочетание новых физических принципов и структурных методов, в частности теории инвариантности измерительных устройств.

Технологические возможности радиоэлектроники последних лет, появление интегральной технологии и полупроводниковых высокочастотных элементов открыли новые перспективы развития высокочастотных измерительных устройств, а также сверхвысокочастотных измерителей (в отношении реализации устройств преобразования первичной информации) и обусловили их широкое внедрение в народное хозяйство.

Данная книга является первой попыткой обобщения накопленного материала по высокочастотному методу измерения неэлектрических величин. В ней большое внимание уделяется теоретическим аспектам построения датчиков высокочастотных измерителей, анализу их информационных возможностей, методам расчета и синтеза, показываются потенциальные возможности, заложенные в этих системах, и пути их реализации.

Изложены принципы построения и теория высокочастотных измерителей уровня, количества сред и ряда других величин.

В основу содержания книги положены результаты многолетних работ, выполненных в Институте проблем управления, по разработке теории высокочастотного метода измерения и принципов построения на его основе датчиков и измерителейнеэлектри-ческих величин.

Авторы выражают благодарность большой группе коллег, в частности кандидатам технических наук А. С, Ульянову, И. В. Пятибратову, инженерам В. И. Мишенину, А. И. Кияшеву, Б. К. Полетаеву, принимавшим активное участие в исследованиях» отраженных в ряде разделов книги.

ВВЕДЕНИЕ

Создание высокоточных и надежных измерителей параметров технологических процессов, способных работать в сложных эксплуатационных условиях, является одной из актуальных проблем. Комплексная автоматизация и эффективное применение автомати-Еированных систем управления технологическими процессами во многих случаях сдерживается из-за отсутствия надлежащих средств получения информации о состоянии процесса.

Общая тенденция в развитии датчиков неэлектрических величин и измерительных устройств в целом обусловлена повышением точностных требований к ним при одновременном усложнении эксплуатационных условий. Все это заставляет совершенствовать известные методы измерения и проводить поиск и разработку новых методов, позволяющих решать возникшие задачи. Развитие химической, нефтяной, авиационной, металлургической, машиностроительной и ряда других отраслей промышленности, внедрение новых технологических процессов, ЭВМ для управления ими выдвинули множество разнообразных задач по измерению таких параметров, как уровень, количество (объем, масса) жидких и сыпучих сред, положение границ раздела между компонентами многокомпонентной среды, сплошность потока среды в трубопроводах, средняя плотность сыпучих сред, геометрические размеры изделий и т. п.

Одной из актуальных проблем является проблема измерения количества среды при произвольном ее распределении внутри сосуда. Такая задача возникает, например, при измерении запасов различных сред яа подвижных объектах — в системах жизнеобеспечения на летательных аппаратах, в том числе в условиях вевесоности, в случае изменения фагового состояния контролируемой среды при одновременных значительных колебаниях и наклонах емкости, а также в танках судов, во вращающихся аппаратах некоторых технологических установок и др.

В последние годы возник ряд задач по намерению средней плотности и расхода микросферических катализаторов в псевдо-сжиженном состоянии в каналах транспортных магистралей, а также малых расстояний (например, при создании измерителей уровня жидкого металла в кристаллизаторах установок непрерывной разливки стали), потоков криогенных сред в трубопроводах и т. п.

Много новых задач возникает по измерению расходов сред, для решения которых традиционные методы мало пригодны с метрологической точки зрения. К их числу относится, в частности, задача измерения расхода воды в открытых магистралях при больших диапазонах изменения скорости потока и уровня воды в них. Решение таких задач является актуальным при создании АСУ большими ирригационными системами.

Говоря о задаче измерения уровня сред, следует отметить, что в ряде случаев к уровнемерам предъявляются более высокие точностные требования (погрешность измерения не должна превышать 1,0—0,1%). Возникло большое число задач по измерению уровня агрессивных, токсичных сред, находящихся в сосудах при высоких температурах и давлениях, значительном уровне внешней радиации. В связи с этим значительно повысились требования к надежности и конструктивной простоте датчика уровнемера, размещенного в сосуде. Датчик должен не только обеспечивать высокую точность измерения, но и сохранять свои выходные параметры в течение длительного времени, причем регламентные работы с его извлечением из сосуда подчас исключаются. Актуальной в настоящее время является также задача создания многопозиционных сигнализаторов уровня с улучшенными характеристиками, которые находят применение при дозировке расходов сред и тарировке сосудов в расходомериых системах.

В связи с тем, что ассортимент контролируемых сред значительно расширился и эксплуатационные условия усложнились (наличие газовых включений в контролируемой среде, значительное изменение ее физико-химических свойств в процессе измерения, большие перепады температур и т. п.), традиционные методы измерения — ультразвуковой, емкостный, радиоизотопный, оптический, буйковый, поплавковый, индукционный и другие — не всегда отвечают требованиям, предъявляемым к измерителям.

Важным является создание унифицированных измерительных комплексов, способных решать широкий класс задач измерения. В настоящее время предприятиями страны выпускается несколько сот типоразмеров уровнемеров, сигнализаторов и регуляторов уровня, основанных на десяти различных методах измерения, однако большинство выпускаемых устройств решает только отдельные частные задачи. Создание унифицированного комплекса уровнемеров позволит повысить качество и надежность приборов.

В значительной мере предъявляемым практикой требованиям отвечает высокочастотный метод измерения неэлектрических величин, использующий различные свойства электромагнитных систем с распределенными параметрами. Широкие информационные возможности этого, метода, которые еще далеко не исчерпаны, позволяют решать самые разнообразные задачи измерительной техники, в том, числе не решаемые иными методами. Физическая основа использования электромагнитных систем в качестве средств получения первичной информации состоит в том, что электромагнитное поле высокочастотного датчика при взаимодействии с контролируемым объектом изменяется, что приводит в конечном счете к некоторому соответствию между параметрами, характеризующими этот объект (измеряемыми величинами), и параметрами электромагнитного поля датчика.

Применение определенного класса электромагнитных систем — систем с сосредоточенными параметрами — датчиков измерительных устройств — для решения некоторых традиционных задач измерения начато сравнительно давно. Известны емкостные, индуктивные датчики перемещений, уровня и других величин [Ц. Применение емкостных и индуктивных датчиков существенно ограничено условиями эксплуатации — свойствами окружающей среды, электромагнитными свойствами контролируемого объекта. Повышение класса точности измерительных устройств С такими датчиками сталкивается, в частности, с трудностями технологического характера, поскольку при этом требуется повышать точность изготовления конструктивных элементов датчиков.

Преодолеть такого рода трудности при одновременном получении ряда дополнительных преимуществ датчиков и измерителей в целом удается при использовании высокочастотных электромагнитных систем с распределенными параметрами, служащих датчиками неэлектрических величин. В этом случае имеют место волновые явления, связанные с распространением электромагнитных волн и возникающие при соизмеримости длин волн с конструктивными размерами электромагнитных систем, на которых строятся высокочастотные датчики. При этом электрическое и магнитное поля в системе уже нельзя рассматривать разделенными в пространстве, а следовательно, саму систему нельзя характеризовать сосредоточенными емкостью или индуктивностью.

Типичными системами с распределенными параметрами являются отрезки длинных линий, возбуждаемые, как правило, на частотах мегагерцового диапазона. Такие системы находят широкое применение в высокочастотных радиотехнических устройствах7 в качестве линий передачи, частотозадающих элементов колебательных контуров высокочастотных генераторов и др.

Разработка теории и принципов построения измерителей не-длектрических величин с использованием отрезков длинных линий проводилась в Институте проблем управления по инициативе академика В. Н. Петрова коллективом сотрудников под научным руководством доктора технических наук, профессора В. А. Викторова [9, 13, 22—24, 69], и результаты исследований в этой области составляют основное содержание книги.

Некоторые свойства, характерные для электромагнитных систем с распределенными параметрами, такие, как независимость резонансной частоты колебаний от погонных параметров отрезка длинной линии, зависимость распределения напряженностей электрического и магнитного полей вдоль длинных линий от характера граничных условий в ней, позволяют улучшить метрологические характеристики и расширить число решаемых задач [9, 10, 23, 36, 116]. Использование больших информационных возможностей таких систем позволяет осуществлять одновременное измерение нескольких величин, например, положение границ раздела между компонентами многокомпонентных сред [80, 116]. Перспективно для построения уровнемеров применение отрезков длинных линий, служащих направляющими системами для зондирующего и отраженного от границы раздела двух сред, видеосигналов, в качестве датчиков уровня сред с произвольными электромагнитными свойствами [23, 33, 34, 109].

Возможное с помощью отрезков длинных линий формирование в контролируемой области электромагнитных полей с требуемым характером их распределения позволяет создать высокоточные измерители объема какой-либо среды в условиях неопределенности распределения среды в этой области [10]. При этом для определенного класса сред, например криогенных, обеспечивается однозначная зависимость выходного параметра высокочастотного датчика от массы среды независимо от ее фазового состояния [118]. Кроме того, для широкого класса сред существует возможность измерения количества (объема, массы) произвольно распределенной в сосуде среды, при котором достигается инвариантность результатов измерения к электромагнитным свойствам среды [69, 118]. Новые возможности применения отрезков длинных линий в качестве датчиков для измерения различных неэлектрических величин связаны с возбуждением отрезка линии на нескольких резонансных частотах [37, 69].

Такой подход позволяет, имея датчик в виде одного отрезка длинной линии, получить наряду с требуемой информацией также и информацию о возмущающих воздействиях, что дает возможность существенно повысить точность измерения, обусловленную главным образом воздействием на датчик внешних возмущающих факторов.

Широкие перспективы использования в измерительной технике открываются перед сверхвысокочастотными (СВЧ) электромагнитными системами с распределенными параметрами — волноводами, объемными резонаторами и др., возбуждаемыми на частотах гигагерцового диапазона [2, 23, 36, 41, 62, 74, 76, 90, 93, 102, 113, 114, 116, 119].

Рассмотрение вопросов использования таких систем базируется на работах, опубликованных у нас и за рубежом, и носит обзорный характер.

Создание твердотельных компактных СВЧ-элементов позволяет в настоящее время разрабатывать конструктивно простые и малогабаритные измерительные устройства. Перспективы массового промышленного применения СВЧ-измерителей неэлектрических величин в основном связаны с возможностью осуществления бесконтактного измерения расстояний до 100 м, положения границы раздела сред, скорости потоков жидких и сыпучих сред в открытых системах и трубопроводах, плотности, концентрации сред и многих других величин [40, 48, 61, 67, 95, 97, 99, 110, 121].

Следует отметить, что применению СВЧ-измерителей в промышленных целях предшествовало их использование в других сферах (радиолокации, средствах связи) [49, 51, 74]. Однако специфика промышленных задач измерения потребовала разработки новых принципов построения СВЧ-измерителей.

Электромагнитные системы с распределенными параметрами, на использовании которых основан высокочастотный метод измерения, позволяют создавать разнообразные высокоточные и надежные измерительные устройства. Накопленный опыт радиотехнических измерений и интенсивные исследования в течение последних 10—15 лет по развитию высокочастотного метода измерения неэлектрических величин, а также значительный прогресс в электронной технике открывают широкие перспективы по применению этого метода в измерительной технике.

Скачать книгу "Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин". Москва, Наука, 1978

143502 МО, г.Истра-2, ул. Заводская, 43А. Тел. (49631) 4-66-21. E-mail: toroid2011@mail.ru