Микроволновый термовлагометрический метод и устройство контроля влажности строительных материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Тетушкин, Владимир Александрович

• Тетушкин, Владимир Александрович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Тетушкин, Владимир Александрович

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

И ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Общие сведения о влагомерах СВЧ.

1.2 Постановка задачи исследования.

2 МОДЕЛИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МИКРОВОЛНОВЫХ

ПОЛЕЙ С ВЛАЖНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ.

2.1 Аналитическая модель электрофизических характеристик свободной воды.

2.2 Модели электрофизических характеристик влажных капиллярнопористых материалов.

2.3 Методика расчета характеристик влажных строительных материалов на основе "смесевых характеристик".

2.3.1 Расчет "смесевых" характеристик ^,1°).

2.3.2 Расчет величин е'см и е"см строительных материалов

2.3.3 Определение границ применимости метода по минимуму необходимой толщины материалов.

Выводы по главе.

3 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ВОЛНОВОДНО-ЩЕЛЕВЫХ АПЕРТУРНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ С ЧАСТОТНЫМ СКАНИРОВАНИЕМ.

3.1 Основные соотношения для линейной решетки излучателей с частотным сканированием.

3.2 Канализирующие системы антенн с частотным сканированием.

3.3 Волноводно-щелевая антенна с частотным сканированием.

3.4 Конструкции измерительных волноводнощелевых антенн.

Выводы по главе.'.

4 ТЕРМОВЛАГОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД И РАЗРАБОТКА ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ВОЛНОВОДНО-ЩЕЛЕВЫХ АПЕРТУР

4.1 Термовлагометрический микроволновый метод.

4.1.1 Сущность апертурного комбинированного термовлагометрического микроволнового метода.

4.1.2 Разработка аналитической модели измерения Wn по углу Брюстера.

4.1.3 Основной алгоритм микроволновой термовлагометрии

4.2 Разработка приемно-излучающих измерительных апертур . 122 Выводы по главе.

5 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ТЕРМОВЛАГОМЕТРИИ

И МЕТРОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ.

5.1 Описание базовой конструкции приемнопередающей апертуры.

5.2 Описание устройства микроволнового термовлагометра

5.3 Методика экспериментального определения влажности

5.4 Метрологические аспекты микроволновых измерений.

5.5 Метрологическое обеспечение и выводы по метрологическому анализу термовлагометрического метода.

5.6 Термоприемники.

5.7 Техника безопасности при микроволновых измерениях . 170 Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Микроволновый термовлагометрический метод и устройство контроля влажности строительных материалов»

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-вычислительный комплекс.

Методы исследования основаны на применении теории электродинамики, теории антенно-фидерных 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 измерительно-вычислительный 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.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Тетушкин, Владимир Александрович

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

1. Разработана приемно-передающая волноводно-щелевая апертура, позволяющая реализовывать метод измерения поверхностной влажности и по объему взаимодействия влажности, работающая в диапазоне длин волн от 0,015 до 0,02 м и обеспечивающая минимальный объем взаимодействия с полной безопасностью от облучения из-за использования электронно-управляемой диаграммы направленности.

2. Разработана, реализована и исследована информационно-измерительная система определения влажностных параметров строительных материалов, обеспечивающая реализацию нового термовлагометрического метода со следующими данными на примере красного кирпича: \УП е [0,05 -т- 0,3] объемной влажности; погрешность измерения \УП = 8 %, \У = 5 %. Система позволяет без тарировки по месту измерять влажность болыиераз-мерных строительных материалов.

3. Результаты теоретических и экспериментальных 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.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведенный литературный обзор и информационный анализ показали, что отсутствуют микроволновые методы, позволяющие с большой оперативностью и достоверностью измерять влажностные характеристики боль-шеразмерных 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 по длине волны генератора Хг при условии реализации интегральной диаграммы направленности (ДН) (диаграммы Брюстера) по минимуму отраженной мощности Ротр; б) измеряют интегральную влажность с учетом объема взаимодействия по изменению температуры I исследуемых материалов и изделий.

4. Разработана приемно-передающая волноводно-щелевая апертура, позволяющая реализовывать метод измерения поверхностной влажности и по объему взаимодействия влажности, работающая в диапазоне длин волн от 0,015 до 0,02 м и обеспечивающая минимальный объем взаимодействия с полной безопасностью от облучения из-за использования электронно-управляемой диаграммы направленности.

5. Разработан, реализован и исследован измерительно-вычислительный комплекс определения влажностных параметров строительных материалов, обеспечивающий реализацию нового термовлагометрического метода со следующими данными на примере красного кирпича: е [0,05.0,3] объемной влажности; погрешность измерения ЛУП = 8 %, = 5 %; при I = 0.40 °С. Комплекс позволяет без тарировки по месту измерять влажность болыиеразмерных строительных материалов.

6. Результаты теоретических и экспериментальных исследований прошли испытания и приняты к использованию в строительных организациях и внедрены в практику контроля влажности.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Тетушкин, Владимир Александрович, 2004 год

1. Берлинер М.А. Измерение влажности в диапазоне СВЧ. — М.: Энергия, 1973.- 157 с.

2. Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник / В.В. Клюев, Ф.В. Соснин, В.Н. Филинов и др./ Под ред. чл. корр. РАН, проф. В.В. Клюева. — М.: Машиностроение, 1995. 408 с.

3. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий / Справочник. Т. 1,2/Под ред. Клюева B.B. М.: Машиностроение, 1976.

4. Кричевский Е.С. Контроль влажных твёрдых и сыпучих материалов/ Е.С.Кричевский, А.Г. Волченко, С.С. Галушкин. Под ред. Е.С. Кричевского. -М.: Машиностроение, 1986. - 136 с.

5. Берлинер М.А. Влагомеры СВЧ.// Приборы и системы управления. 1970, № 11. С. 19-22.

6. Воробьёв Е.А., Калашников B.C., Негурей A.B. Измеритель радиотехнического качества диэлектрических изделий и материалов на СВЧ. Дефектоскопия.// Российская академия наук, № 9, 1993.

7. Калашников B.C., Негурей A.B. Возможности метода модулированного отражения при технологическом контроле диэлектрических изделий и материалов// Вопросы радиоэлектроники, вып.1, 1993.

8. Dtsraisses R. Controle de serie des radomes/ Revue Technique Thomson - CSF, Vol.3, №4, 1971.

9. Портативный радиочастотный измеритель затухания ПРИЗ-1. Паспорт ОП 03 - 38/89., Минск: Институт прикладной физика АН БССР, с.н.с. Н.В.Любецкий.

10. Суслин М.А, Тётушкин М.А., Чернышов В.Н., Дмитриев Д.А. Микроволновой термовлагометрический метод контроля органических соединений. // Вестник Тамбовского ГТУ, 2004, Том 10, № 2, С. 428 434.

11. Пюшнер Г. Нагрев энергией СВЧ. -М.: Энергия, 1968, 310 с.

12. Берлинер М.А. Электрические измерения, автоматический контроль и регулирование влажности. М.: Энергия. 1965, - 354 с.

13. Матис И.Г. Электроемкостные преобразователи для неразрушаю-щего контроля 2-е изд. перераб. и доп., 1982.

14. Парсел Э. Электрический магнетизм. -М.: Наука, 1975.

15. Бензарь В.К. Техника СВЧ влагометрии. - Минск: Вышейшая школа, 1974.

16. Берлинер М.А. и др. Применение диаграммы Коул-Коул во влагометрии СВЧ// Изв. вузов. Сер.приборостроение. 1973, Т. 16, № 4, С. 101 106.

17. Де Лоор Г.П. Диэлектрические свойства гетерогенных влагосодер-жащих смесей// Приборы и системы управления. 1974, № 9, С. 19 22.

18. Кинг Р., Смит Г. Антенны в материальных средах: В 2-х книгах Кн.2. Пер с англ. -М.: Мир, 1984, 248 с.

19. Казанский М.Ф. Анализ форм связи и состояние влаги, поглощенной дисперсным телом, с помощью кинетических кривых сушки. М.: «ДАН СССР», 1960, № 5.

20. Богородицкий М. П. Теория диэлектриков. М.: Госэнергоиздат, 1965,268 с.

21. Хиппель А.Р. Диэлектрики и волны. М.: Наука, 1960, 360 с.

22. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. М.: Энергия, 1982,320 с.

23. Нетушил A.B., Жуховицкий Б.Я. и др. Высокочастотный нагрев диэлектриков и полупроводников. М.: Госэнергоиздат, 1959, 468 с.

24. Бугров A.B. Высокочастотные емкостные преобразователи и приборы контроля качества. М.: Машиностроение, 1982, 94 с.

25. Брандт A.A. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. -М.: Физматгиз, 1963.

26. Stuchly S. Dielectric properties of some granular solids containing water.- J-l Microwave Power, 1970, № 2.

27. Дерягин Б.В и др. Вода в дисперсных системах. М.: Химия, 1989,288 с.

28. Франчук А.У. Таблицы теплотехнических показателей строительных материалов. М.: НИИ строительной физики Госстроя СССР. - 1969, 137 с.

29. Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование антеннофидерных устройств. М.: Энергия, 1996.

30. Сканирующие антенны СВЧ / Под ред. Дерюгина JI.H. Труды МАИ, вып.159. -М.: Изд. Машиностроение, 1964.

31. Shnitkin Н. Electronically scanned antennas. The Microwave Journ., 1960,Dec., №12, p.67.72, 1967, Jan. № l,p.57.64.

32. Воскресенский Д.И., Грановская P.A., Гостюхин В.Л. и др. Антенны и устройства СВЧ. Расчёт и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов./Под ред. проф. Д.Н. Воскресенского. Уч. пос. для вузов.- М.: Советское радио, 1972, 320 с.

33. Кюн Р. Микроволновые антенны. Пер. с нем. под ред. М. П. Долуханова. Изд-во «Судостроение», 1967.

34. Айзенберг Г.З. Антенны УКВ. -М.: Связьиздат, 1957.

35. Яцук JI. П., Смирнова Н. В. Внутренние проводимости нерезонансных щелей в прямоугольном волноводе. «Известия вузов», Радиотехника, 1967, т. X, № 4.

36. Резников Г. Б. Самолетные антенны. -М.: Сов. Радио , 1962.

37. Ширман Я.Д. Радиоволноводы и объемные резонаторы. — М.: Связьиздат, 1959.

38. Резников Г.Б. Антенны летательных аппаратов. М.: Сов. Радио,1967.

39. Пистолькорс А. А. Общая теория дифракционных антенн. ЖТФ, 1944, т. XIV, № 12, ЖТФ, 1946, т. XVI, № 1.43. «Пособие по курсовому проектированию антенн».- М.: Изд-во ВЗЭИС, 1967.

40. Вешнякова И.Е., Евстропов Г.А. Теория согласованных щелевых излучателей.// «Радиотехника и электроника», 1965, т. X. № 7.

41. Евстропов Г.А., Царапкин С.А. Исследование волно-водно-щелевых антенн с идентичными резонансными излучателями.// «Радиотехника и электроника», 1965, т. X, № 9.

42. Евстропов Г. А., Царапкин С. А. Расчет волвоводно-щелевых антенн с учетом взаимодействия излучателей по основной волне // «Радиотехника и электроника», 1966, т. XI, № 5.

43. Драбкин А.Л. и др. Антенно-фидерные устройства. М.: Радио и связь, 1974, 452 с.

44. Чернушенко A.M., Майбородин A.B. Измерение параметров электронных приборов дециметрового и сантиметрового диапазонов волн. М.: Радио и связь, 1986, 336 е., стр. 34 (ОСТ. ГО. 010.019. Трубы волноводные. Радиусы изгибов. Основные параметры и размеры.)).

45. Мол очков Ю.Б. Авиационные антеннофидерные устройства. М.: Изд. ВВИА им. Проф. Н.Е.Жуковского, 1983, 287 с.

46. Григорьев А.Д., Янкевич В.Б. Резонаторы и резонаторные замедляющие системы СВЧ. Численные методы расчёта и проектирования. -М.: Радио и связь, 1984, 248 с.

47. Марков Г.Т., Петров Б.М., Грудинская Г.П. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Сов. радио, 1979, 450 с.

48. Справочник по теплопроводности жидкости и газов /Н.Б. Варгаф-тик, Л.П. Филиппов, А.А. Тарзиманов, Е.Е. Тоцкий. — М.: Энергоатомиздат, 1990, 352 с.

49. Ривкин С.Л., Александров А.А. Теплофизические свойства воды и водяного пара. М.: Энергия, 1980, 424 с.

50. Франчук А.У. Теплотехнические показатели строительных материалов. М.: НИИ строительной физики Госстроя СССР. - 1969, 137 с.

51. Тётушкин В.А. Апертурный термовлагометрический метод контроля строительных материалов./ Труды ТГТУ. Сборник научных статей молодых ученых и студентов. Вып. 16 . Тамбов: ТГТУ, 2004, С. 200.

52. Тётушкин В.А. СВЧ метод контроля влажности органических соединений.// IX научная конференция: пленарные доклады и краткие тезисы. -Тамбов: ТГТУ, 2004, С. 328.

53. Тетушкин В.А., Федюнин П.А., Дмитриев Д.А. Приемно-излучающие измерительные апертуры микроволнового термовлаго-метрического метода // Наука на рубеже тысячелетий: материалы конференции. Тамбовский ГТУ. Тамбов: ТГТУ, 2004.

54. Анатычук Л. Термоэлементы и термоэлектрические устройства/ Справочник. Киев: Наукова думка, 1979, 768 с.

55. Золотухин А.Н. Воздействие ЭМИ на биологические объекты и физические основы защиты от него // Зарубежная радиоэлектроника. 1981, № 1, С. 91-112.