На правах рукописи
ТЁТУШКИН Владимир Александрович
МИКРОВОЛНОВЫЙ ТЕРМОВЛАГОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД И УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ВЛАЖНОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды,
веществ, материалов и изделий
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Тамбов 2004
Работа выполнена в Тамбовском государственном техническом университете на кафедрах “Криминалистика и информатизация правовой деятельности” и “Конструирование радиоэлектронных и микропроцессорных систем” Доктор технических наук, проНаучный руководифессор тель Чернышов Владимир Николаевич Доктор технических наук, проОфициальные оппофессор ненты:
Беляев Павел Серафимович кандидат технических наук, доцент Ивановский Василий Андреевич
Ведущая организация: АООТ НИИ “Электромера”, г. Санкт-Петербург
Защита диссертации состоится 23 декабря 2004 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.260.01 Тамбовского государственного технического университета по адресу: г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ, Большой зал.
Отзывы в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г.
Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ, ученому секретарю совета Д 212.260.01.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тамбовского государственного технического университета.
Автореферат разослан 23 ноября 2004 г.
Ученый секретарь диссертационного совета А.А. Чуриков Подписано к печати 22.11. Гарнитура Тimes New Roman. Формат 60 84/16. Бумага офсетная.
Печать офсетная. Объем: 0,93 усл. печ. л.; 0,9 уч.-изд. л.
Тираж 100 экз. С. Издательско-полиграфический центр ТГТУ 392000, Тамбов, Советская, 106, к.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Контроль качества строительных материалов заключается в проверке соответствия их характеристик установленным требованиям. В производстве широко применяют неразрушающий контроль, позволяющий проверить качество продукции без нарушения ее целостности и использования по назначению. При этом особая роль в повышении эффективности производства и улучшении качества продукции отводится автоматическим средствам измерения.
В строительстве от влажности зависят основные свойства строительных материалов: теплофизические, теплозащитные и прочностные характеристики строительных сооружений и конструкций, их долговечность, надежность и эксплуатационные качества.
В измерении влажности широкое распространение получили микроволновые (СВЧ) методы и устройства, теория которых достаточно хорошо разработана, а также из-за очевидных преимуществ: реализация неразрушающего контроля; приемлемая точность измерения; безопасность из-за информативного взаимодействия маломощных микроволновых полей бегущих и стоячих волн с материалом, не сопровождающегося нагревом материала.
Однако практически все микроволновые методы и устройства обладают рядом недостатков:
работают на одной (двух) стабилизированной частоте;
неуниверсальные по виду и форме материала, чаще всего требуют индивидуальной тарировки по месту;
во влагометрии строительных материалов не применимы двухапертурные методы свободного пространства на прохождение, резонаторные, волноводные и зондовые, позволяющие определять, в частности, только интегральную и среднюю влажности по зоне взаимодействия. Апертурные методы к тому же в реализации стационарны, громоздкие и дорогостоящие;
одноапертурные методы на отражение пригодны не всегда, к тому же основной метод угла Брюстера позволяет определять только поверхностную влажность и не всегда имеются обоснования границ применимости методов отражения по толщине материала, отсутствуют согласования по волновым сопротивлениям – низкий коэффициент бегущей волны (КБВ) и КПД;
в известных устройствах нет сопряжения взаимодействия микроволновых полей с материалом с возможностью их СВЧ-нагрева; процесс такого нагрева весьма информативен, дает возможность исследования, кроме влажности, совокупности других теплофизических характеристик материала, кинетики СВЧ-сушки, исследования термограмм. Сопряжение информативных возможностей маломощного взаимодействия полей с исследуемым материалом и процесса микроволнового нагрева обеспечивает одновременное измерение поверхностной влажности материала и влажности по объему взаимодействия не равных из-за нормального градиента влажности, обусловленного текущими процессами высушивания и увлажнения, т.е. необходимо измерение комплекса этих величин;
на данный момент не исследованы информативные аспекты дисперсии диэлектрической проницаемости влажных материалов – частотные зависимости, необходимость оперативного сканирования влажности больших поверхностей;
существует неразрешенный вопрос оптимизации выбора полосы рабочих частот.
Разрешение противоречий и задач, указанных выше, позволило разработать метод и реализующий его измерительный комплекс определения поверхностной влажности и влажности по объему взаимодействия с перспективой определения других теплофизических величин. Это стало возможным на основании теоретических и практических разработок термовлагометрического микроволнового метода.
Все приведенное выше определяет актуальность проведения исследований и разработок методов и устройств термовлагометрии строительных материалов.
Цель работы. Разработать бесконтактный неразрушающий микроволновый метод контроля поверхностной влажности и интегральной по объему материала влажности и реализующий его измерительно-вычисли-тельный комплекс.
Методы исследования основаны на применении теории электродинамики, теории антеннофидерных устройств, теории диэлектриков в микроволновых полях, математического моделирования и метрологии.
Научная новизна:
разработаны физико-математические модели взаимодействия микроволновых полей с поверхностным слоем и внутренним объемом влажного материала;
создан новый микроволновый термовлагометрический метод измерения поверхностной влажности и интегральной по объему материала влажности, в основу которого положено измерение температуры влажного материала при поглощении его локализованным минимальным объемом определенной и фиксированной дозы микроволнового излучения бегущей волны. Метод, в отличие от известных, позволяет без нарушения целостности исследуемых объектов и при одностороннем доступе к их поверхности определить указанный выше комплекс параметров с высоким быстродействием и точностью;
разработана приемно-передающая волноводно-щелевая апертура, позволяющая реализовывать термовлагометрический метод, а также обеспечивающая минимальный объем взаимодействия с полной безопасностью от облучения из-за использования электронно-управляемой диаграммы направленности.
Практическая ценность. На основании предложенного метода разработан измерительновычислительный комплекс с математическим, программно-алгоритмическим и метрологическим обеспечением для определения поверхностной влажности и влажности по объему взаимодействия, использующий разработанные апертурные преобразователи с управляемой диаграммой направленности.
Реализация результатов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований диссертационной работы апробированы и рекомендованы к внедрению и в практику контроля влажности строительных материалов в ООО “Строй-Премьер”, при выполнении НИР по контролю влажности антенных обтекателей по теме заданной главкомом ВВС в ТВАИИ, в учебном процессе ТГТУ.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались на Школе-семинаре молодых ученых “Метрология, стандартизация, сертификация и управление качеством продукции” (Тамбов, 2003), IV Всероссийском с международным участием научно-практическом семинаре “В мире неразрушающего контроля и диагностики материалов, промышленных изделий и окружающей среды” (Санкт-Петербург, 2003), 3-й Международной конференции “Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности” (Москва, 2004), VII Всероссийской научно-технической конференции “Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического моделирования” (Тамбов, 2004), Пятой Международной теплофизической школе “Теплофизические измерения при контроле и управлении качеством” (Тамбов, 2004), Международной конференции “Наука на рубеже тысячелетий” (Тамбов, 2004).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе получено положительное решение на заявку на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, списка используемых источников, работа изложена на 182 страницах, содержит 85 рисунков, 4 таблицы и 62 наименования библиографического указателя.
Автор благодарит доктора технических наук, профессора Д.А. Дмитриева и кандидата технических наук П.А. Федюнина за консультации при работе над диссертацией.
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, раскрыты научная новизна и практическая ценность, показаны результаты апробации и реализации работы.В первой главе “Литературный обзор и постановка задачи исследования” проведен сравнительный анализ существующих СВЧ-методов и устройств контроля влажности строительных материалов.
Приведены достоинства и недостатки микроволновых влагомеров. Обоснована необходимость разработки нового неразрушающего микроволнового термовлагометрического метода, а также измерительно-вычислительного комплекса, реализующего предложенный метод.
Во второй главе “Модели взаимодействия микроволновых полей с влажными материалами” даны аналитические модели электрофизических характеристик свободной воды и капиллярно-пористых строительных материалов; выявлены влажностные, частотные и температурные характеристики влагосодержащих материалов; проведен расчет параметров влажных строительных материалов на основе “смесевых характеристик”.
Аналитические зависимости (с коррекцией по экспериментальным данным по литературным источникам) величин, от частоты = 2f (или длины волны г) – дисперсионные характеристики и от температуры t, °С (или Т, К) – температурные характеристики, где и – действительная и мнимая части относительной диэлектрической проницаемости материала.
Расчетные дисперсионно-температурные зависимости, для свободной воды в рабочем диапазоне частот (г):
“Смесевые” характеристики влажных материалов как системы “сухой материал со связанной влагой – свободная (объемная) влага” рассчитываются по корректированной формуле Лихтенекера, где W [0,05…0,3]:
где [0,5…1] – эмпирический коэффициент находился экспериментально ( = 0,7) из условия лучшего приближения; 1 – определяется по (1) для свободной воды.
Величина 2 см для сухого материала со связанной влагой определяется по обобщенной формуле Рейнольдса – Хью:
где 2 сух – величина для сухого материала; 1св. в – диэлектрическая проницаемость связанной влаги ( св. в [4,5…5,8]); А – коэффициент формы частиц влаги (А = 0,33); Wсв. в – постоянная величина объемной влажности связанной воды (W = 0,05).
Величина см определяет потери СВЧ-энергии на нагрев влажного материала и, следовательно, информативную величину t = Ф(W), где W – средняя влажность по объему нагрева (взаимодействия). Величина см и потери прямо пропорциональны объему свободной влаги в материале, т.е. величина объемной влажности:
где величина определяется выражением (2).
Объем локализованной зоны нагрева определяется эффективной глубиной проникновения поля (высотой зоны нагрева h) во влажный материал, рассчитываемой по преобразованному выражению для немагнитных материалов:
b = 0,015 м при Wmin = 0,05.
В третьей главе “Теоретические основы проектирования измерительных волноводно-щелевых апертурных излучателей с частотным сканированием” приведены основные соотношения для линейной решетки излучателей с частотным сканированием; канализирующие системы антенн с частотным сканированием; волноводно-щелевая антенна с частотным сканированием; конструкции измерительных волноводно-щелевых антенн.
Для измерения поверхностной влажности Wп строительных материалов используем метод угла Брюстера Бр (полного преломления), т.е. величина угла Брюстера функционально зависит от величины = f (Wп). Нахождение этого угла как меры Wп реализуется с помощью специально разработанной ансм тенны с электронным управлением луча, позволяющей с большой скоростью менять положение диаграммы направленности (ДН) по углу в требуемом секторе без громоздких механических устройств, необходимых в антеннах при неэлектрическом управлении лучом.
Частотное управление лучом антенны является одним из способов электрического управления и позволяет получить зависимость отклонения угла максимума ДН от нормали к оси решетки излучателей:
где = c/V – замедление фазовой скорости в канализирующей системе, возбуждающей излучатели; с р = n + Ф/2, n = 0, ± 1, ± 2,... – номер луча; ld – геометрическая разность длин канализирующих систем двух соседних излучателей; d – расстояние между излучателями.
Углочастотная чувствительность антенны (в градусах на процент изменения частоты (длины волны)):
где rp = c/Vrp – замедление групповой скорости Vгp волны, распространяющейся в канализирующей системе.
Ширина диаграммы направленности зависит от относительной величины мощности. При Рl /Р0 = 0,05 (коэффициент использования раскрыва при этом равен 0,83):
где l = N d, а N – число излучателей решетки.
Важное значение при проектировании излучателя имеет выбор расстояния между соседними излучателями d, которое должно быть таким, чтобы при качании луча в заданном секторе исключалась возможность появления побочных главных максимумов. Это условие будет выполнено, если расстояние d удовлетворяет соотношению ДН (г, d), град при различных значениях реализуемого противофазного шага d, см. На рис. 2 показана нормированная по относительному (в %) изменению г угловая чувствительность S(г, з. гр, d = 1,045) при разных значениях замедления з. гр и d. На основании данных рис. 1 и 2 выбирается рабочий диапазон длин волн термовлагометрии с учетом минимума температурной чувствительности.
Ребристая замедляющая структура (ЗС) должна обеспечивать максимальное групповое замедление, выбор геометрических ее размеров и шага t осуществляется по выражению:
где k = 2 /г – волновое число; t, t, h – размеры ЗС.
В четвертой главе “Термовлагометрический метод и разработка измерительных волноводнощелевых апертур” описана сущность апертурного комбинированного термовлагометрического микроволнового метода; проведена разработка аналитической модели измерения поверхностной влажности по углу Брюстера; представлен алгоритм микроволновой термовлагометрии; обоснован выбор рабочего диапазона длин волн; разработаны конструкции приемно-излучающих измерительных апертур.
Предлагается одноапертурный термовлагометрический микроволновый метод контроля твердых большеразмерных изделий из строительных материалов, таких как бетон разных марок (в соответствии с ТУ диапазон W [0,05…0,3] объемной влажности), керамика, гипсоблоки, силикатный кирпич и т.д.
Главной целью разработки односторонней апертуры являлось обеспечение максимума переноса СВЧ-энергии падающей волны именно в материал и минимума отражений и рассеивания энергии в окружающее пространство, повышение локальности измерения W в стремлении ограничить объем взаимодействия Vвз преломленной волны с материалом и его минимизацию, уменьшая величину h b и величину площади облучения Sэфф, для повышения чувствительности и безопасности.
Угол полного преломления для Е-волн (вектор Е лежит в плоскости падения) – угол Брюстера определяется условием:
где гл = Бр при номинальном значении Wп.
Зависимость угла отклонения для волны Н10, кр = 2а = 0,032 при номинале, г. ном = 0,0174 м, величина 2d = 0,0207 м (рис. 3):
Для красного кирпича, на примере которого рассматриваются аналитические зависимости, получаем информативную зависимость Wп от комплекса параметров (рис. 4):
Рис. 4 Аналитическая и экспериментальная зависимости длины волны При реализации термовлагометрического метода определяется изменение температуры поверхности, фиксируемое блоком ТП (батарея термопар), T (°С) = Ф (W). Время нагрева tн (с) = const; Рпад = const (при этом = Ф (W), т.е. Рпад = Ф(W) тогда необходимо через измерение см (по углу Брюстера) корректировать (стабилизировать) Рпад = Рг или tн так, чтобы количество энергии было Рпрелом tн = Q = const по следующему алгоритму: 1) измерение Ротр.min ; 2) измерение Рпад ; 3) измерение Рпрелом = Рпад – Ротр.min ; 4) изменяя Рпад, стабилизируется Рпрелом.
Количество тепла, поглощаемое материалом:
где CVсм – объемная теплоемкость влажного материала, определяемая по формуле Оделевского:
Плотность влажного материала рассчитывается по выражению:
Откуда измеренная Т:
где Vвз (W) = Sэ(Wп) h(W) Sап(Wп) h(W) – переменный объем взаимодействия (объем нагрева). Значение Sэ (Wп) фиксируется при измерении Wп.
По (18) при разных г [1,7…2] см строятся аналитические зависимости Т(W, г). Расчет ведется для нормированной, относительно поглощаемого количества энергии СВЧ преломленной волны, для случаев “карандашной” ДН (0,5 = 0) и ДН с расчетным 0,5 по выражению В пятой главе “Измерительные устройства термовлагометрии” дано описание базовой конструкции приемно-передающей апертуры и устройства микроволнового термовлагометра; приведены алгоритмы измерений и расчета влажности; дана методика экспериментального определения влажности;
выявлены метрологические аспекты микроволновых измерений и приведен метрологический анализ метода; представлено описание термоприемников; приведена техника безопасности при микроволновых измерениях.
На рис. 5 показана конструкция комплексного приемно-передающего антенного преобразователя, состоящего из излучающей кольцевой щелевой антенны и приемной – рупорного типа, где введены следующие обозначения: а – ЭМЭ (электромагнитный экран и приемный рупор мощности отраженной ЭМВ – Ротр); б – А – угол между плоскостью материала и максимумом диаграммы направленности (ДН) апертуры (щелевой антенны): щель длины в/2 – полуволновая поперечная щель; в – одна из щелевых антенн; г – кольцевой прямоугольный волновод (ВВ) с излучающими щелевыми антеннами; д – внешняя щель возбуждения кругового ВВ; е – возбуждающий вибратор; ж – плоскость материала; з – пространство, заполняемое теплоизолирующим радиопрозрачным материалом с наклеенным комплектом термопар (термобатарея).
Рис. 5 Комплексная апертурная система Схема устройства, реализующего предлагаемый способ, показана на рис. 6, где цифрами обозначены следующие блоки: 1 – блок генератора, управляемого напряжением (ГУН) на лампе обратной волны (ЛОВ“0”) “Шее-лит” и УВ-40: Рвых 100 Вт в непрерывном режиме, (fmin…fmax) (15…17) ГГц с делителем частоты (спецблок), fд 0,5 ГГц – диапазон управляемой девиации частоты (предусмотрена работа с клистронным ГСВЧ на К-27 со стационарным блоком управляемого питания при измерении Wп; 2 – управляемый микропроцессором (МП) аттенюатор на подмагниченном феррите; 3 – СВЧ-термисторный ваттметр с выходом через УПТ и АЦП на МП (через МП управление и стабилизация Рвых); 4 – диодный импульсный модулятор; 5 – генератор видеоимпульсов, управляемый микропроцессором;
6 – пиковый детектор; 7 – волноводный Y-циркулятор; 8 – поглощающая согласованная нагрузка; 9 – кольцевая переменно-фазная многощелевая антенна – излучающая часть комплексной апертуры; 10 – рупорная приемная часть комплексной апертуры; 11 – вентиль; 12 – СВЧ-термисторный ваттметр; 13 – экстремальный цифровой регулятор поиска и индикации минимума мощности отраженной волны Ротр по управляемой величине напряжения на втором аноде ЛОВ“0”1 (ЕА2 – Кл 5); 14 – управляемый микропроцессорный блок питания для 1 (УБП); 15 – счетчик видеоимпульсов (ВИ), сопряженный с цифровым волномером 16; 17 – резонаторный датчик волномера; 18 – микропроцессор; 19 – блок термопар (ТП);
20 – персональный компьютер.
На рис. 7 представлены результаты экспериментальных исследований.
Измерительно-вычислительный комплекс определяет влажностные параметры строительных материалов и обеспечивает реализацию нового термовлагометрического метода со следующими данными на примере красного кирпича: W [0,05…0,3] объемной влажности; погрешность измерения Wп = 8 %, W = 5 % при t = 0…40 °С.
Результаты исследований прошли испытания и приняты к использованию в строительных организациях и внедрены в практику контроля влажности антенных обтекателей по теме, заданной главкомом ВВС в ТВАИИ.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ
1 Проведенный литературный обзор и информационный анализ показали, что отсутствуют микроволновые методы, позволяющие с большой оперативностью и достоверностью измерять влажностные характеристики большеразмерных строительных изделий при одностороннем доступе к их поверхности.2 Разработаны физико-математические модели взаимодействия микроволновых полей с поверхностным слоем и внутренним объемом влажного материала.
3 Разработан новый метод микроволновой термовлагометрии, состоящий в том, что: а) с помощью частотноуправляемой специально организованной апертуры определяют поверхностную влажность Wп по длине волны генератора г при условии реализации интегральной диаграммы направленности (ДН) (диаграммы Брюстера) по минимуму отраженной мощности Ротр; б) измеряют интегральную влажность W с учетом объема взаимодействия по изменению температуры t исследуемых материалов и изделий.
«