ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

УДК 532.4, 621.372.413
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ОБЪЕМНОГО
РЕЗОНАТОРА С ТОНКИМ СЛОЕМ ВЛАГИ НА НИЖНЕЙ ТОРЦЕВОЙ СТЕНКЕ
А.Л. Шаталов, М.А. Суслин, В.Ю. Прищепенко
В статье приведены результаты экспериментального исследования цилиндрического объемного резонатора с
тонким слоем влаги на нижней торцевой стенке. Анализ известных методов проведен с использованием моделирования методом конечных элементов в системе ANSYS. Практическим применением результатов исследований может
служить определение осажденной влаги в авиационных керосинах
Ключевые слова: цилиндрический объемный резонатор, влага, электрическое поле
Интенсивное развитие современной авиационной техники диктует особые требования к качеству
используемых топлив, от которых в частности зависит безаварийная эксплуатация и долговечность работы. Так при подготовке летательного аппарата к
вылету берется образец топлива из точки слива топливного бака. В пробе может содержаться осажденная влага. Попадая на твердую поверхность топливного фильтра двигателя перед насосом, капельки
воды замерзают, что резко снижает пропускную
способность.
Известные косвенные методы – механические,
радиометрические, оптические теплофизические [1]
обладают или низкой чувствительностью, или требуют сложной дорогостоящей реализации, или
субъективны. Так авиационный керосин перед непосредственной заправкой в баки и перед вылетом
контролируется на предмет «следов» осажденной
влаги методом визуального контроля.
Как известно, интегральные характеристики
сверхвысокочастотных (СВЧ) резонансных систем с
распределенными параметрами – резонансная частота, добротность весьма чувствительны к изменению электрофизических характеристик сред, частично заполняющих объемный резонатор (ОР). Характерные размеры первичных измерительных преобразователей (ПИП), работающих в оптимальных
одномодовых режимах, порядка длины волны (единицы см). В более длинноволновом диапазоне размеры датчиков велики, в мм-диапазоне технологически труднореализуемы. В диапазоне СВЧ ПИП на
основе объемных резонаторов обладают простейшей, технологичной конструкцией; максимальной
электромагнитной экологической безопасностью и
электромагнитной совместимостью. Однако, существующие электрометрические методы [2] и в частности СВЧ резонаторные одномодовые методы с
использованием колебаний Н011 и Е010 не позволяют
дифференцировано (локально) определять влагосодержание, так как отсутствует возможность разШаталов Александр Леонидович – МГУИЭ, д-р техн.
наук, профессор, тел. 8-916-806-28-86
Суслин Михаил Алексеевич – ВАИУ, канд. техн. наук,
доцент, тел. 8-910-857-01-05
Прищепенко Владислав Юрьевич – ВАИУ, соискатель,
тел. 8-920-418-42-85
дельного определения растворенной, эмульсионной
и осажденной влаги.
В [3] предложен СВЧ- способ раздельного определения растворенной и осажденной влаги в жидких углеводородах. Способ основан на возбуждении
двух электромагнитных колебаний разной пространственной структуры. Недостатком способа
является невысокая точность определения осажденной влаги в диапазоне меньше 0,4%, причиной которой является искажение структуры поля Е010, вызванное изменением электрофизических свойств
исследуемой среды с потерями, которая находится в
нижней полости резонатора. Другим недостатком
является влияние на результат измерения осажденной влаги в диапазоне больше 0,4% (при возбуждении колебания Н011) изменения растворенной влаги
в жидких углеводородах, объемная доля которой
зависит от температуры, атмосферного давления,
типа углеводорода.
Моделирование методом конечных элементов
в системе ANSYS при следующей геометрии резонатора и его заполнения, рис. 1: диаметр резонатора
– 75 мм, высота – 103,7 мм; высота керосина с водой
– 34,6 мм, высота слоя воды под керосином – 1 мм,
показало следующие результаты, рис. 2 и рис. 3.
Рис. 1. Геометрия резонатора и заполнения: диаметр
– 75 мм, высота – 103,7 мм; высота керосина с водой –
34,6 мм, высота слоя воды под керосином – 1мм
Электрические силовые линии пустого резонатора с колебанием Н011 это замкнутые концентрические окружности, электрическое поле максимально
посередине длины резонатора. На стенках протекает
поверхностный ток: на торцевых стенках – кольцевой ток, плотность которого равна нулю в центре и
у боковых стенок. По боковым стенкам резонатора
также течёт кольцевой ток, плотность которого максимальна в среднем сечении. Возмущение в виде
слоев керосина и воды приводит к тому, что возмущенный объем начинает концентрировать электрическое поле (поле максимально на границе воздухкеросин, рис. 2), при этом концентрация увеличивается при увеличении диэлектрической проницаемости керосина (относительная диэлектрической проницаемости керосина изменяется в пределах 2,12,3).
Рис. 2. Электрическое поле моды Н011 в возмущенном резонаторе, частота 4,09ГГц
Перераспределение поверхностных токов в
возмущенном резонаторе по сравнению с пустым
ОР изменяет парциальную добротность, вызванную
потерями в стенках, так как добротность Q0 ненагруженного резонатора имеет вид [4]
Q =
0
2
2
∫ H dV
V
δ ∫ H 2 dS
,
s
где δ - глубина проникновения электромагнитной
волны в металлическую стенку; V – объем резонатора, а S – площадь поверхности стенок резонатора; H
– напряженность магнитного поля. Как известно,
магнитная составляющая H электромагнитного поля
вызывает поверхностные токи на стенках ОР, поэтому наблюдается неконтролируемое изменение
электрического поля и добротности пустого резонатора.
Для устранения названных недостатков предлагается сливать керосин и исследовать тонкий слой
влаги на нижней торцевой стенке.
Был исследован объемный резонатор с осадком
в виде влаги на дне. Геометрические размеры резонатора: высота – 126 мм, диаметр – 152 мм. Возбуждающая петля в резонаторе выступает от плоскости
боковой стенки примерно на 1,5-2,0 мм, рис. 4. Это
обеспечивает фильтрацию всех колебаний, кроме
Н011 в диапазоне от 2,56 до 4,0 ГГц (диапазон изменения частоты генератора Г4-80) это проверено экспериментально. Резонансная частота колебания Н011
пустого резонатора равна 2707,3 МГц, а добротность – порядка 4500 (внутренняя поверхность резонатора посеребрена, это видно на рис. 4.)
Поверхностный ток торцевой стенки со слоем
воды на порядок больше поверхностного тока другой торцевой стенки, рис. 3.
Рис. 4. Внешний вид исследуемого резонатора с колебанием Н011
Рис. 3. Поверхностные токи резонатора с модой Н011
в возмущенном резонаторе, частота 4,09ГГц
В резонатор дозировано добавлялась вода (на
нижнюю боковую стенку) от 1 мл до 10 мл, измерялась частота и нагруженная добротность по уровню
“0,5” показаний микроамперметра. Объем влаги был
пересчитан исходя из геометрических размеров резонатора в эффективную высоту влаги. Экспериментальные результаты представлены в таблице.
Резонатор с осадком в виде влаги на дне
Объем воды на боковой стенке, мл ( l эф , мм)
1мл
(0,05)
2мл
(0,1)
3мл
(0,33)
4мл
(0,16)
5мл
(0,27)
6мл
(0,33)
7мл
(0,38)
8мл
(0,44)
9мл
(0,5)
10мл
(0,55)
Резонансная частота
f H 011 , МГц
2707,3
2707,3
2707,3
2707,3
2707,3
2707,2
2707,1
2706,4
2705,3
2705,1
Нагруженная
добротность резонатора
с осадком в виде влаги на дне
4500
4500
4500
4500
4500
4500
4400
2750
1930
1520
Из результатов эксперимента можно сделать вывод:
вода до высоты 0,38 мл (абсолютный объем влаги в
нашем эксперименте 7 мл) выступает как часть проводящей стенки, а дальше как возмущающий объем.
Практическим результатом может служить определение осажденной влаги в жидких углеводородах. Цилиндрический объемный резонатор полностью заполняют исследуемой жидкостью. После
некоторого времени отстоя (для авиационного керосина это время не превышает десятка секунд) начинают слив жидкости так, чтобы отстой в виде влаги
оставался на нижней торцевой стенке резонатора.
Наличие тонкого слоя влаги на нижней торцевой стенке резонатора структуру поля мод Н011 и
Е010 не искажает практически совершенно. Наличие
тонкого слоя практически не изменяет резонансную
частоту колебаний (частота остается в пределах полосы задержания ненагруженной системы), а добротность изменяется значительно.
Для исследования колебания Е010 резонатора с
тонким слоем влаги на нижней торцевой стенке использовался объемный резонатор, который изображен на рис. 5. Его размеры: длина – 50 мм, диаметр
– 9 мм. Резонансная частота колебания Е011 пустого
резонатора равна 2550 МГц, а добротность – 1850.
На рис. 6 показаны экспериментальные значения нагруженной добротности резонатора с колебаниями Н011 и Е010 от объемной концентрации влаги в
осадке %V. Объемная концентрации влаги в осадке
%V рассчитывалась как отношение эффективной
высоты влаги lэф к высоте резонатора lОР .
l эф
V% =
.
lОР
До концентрации порядка 0,4% информативным параметром может служить изменение добротности колебания Н011, а в диапазоне от 0,4% до 2% –
изменение добротности колебания Е010. Это объясняется тем, что электрические силовые линии колебания Н011 замкнуты и имеют только одну радиальную составляющую Еϕ, которая у торцевой стенки
равна нулю, а электрическое поле Еz колебания Е010
равномерно по длине резонатора, поэтому колебание Е010 будет обладать большей чувствительностью
к наличию влаги в осадке.
Рис. 6. Зависимость нагруженной добротности резонаторов с с колебаниями Н011 и Е011 от объемного влагосодержания
Рис. 5. Внешний вид исследуемого резонатора с колебанием Е010
Таким образом, исследование только осадка
жидкого углеводорода устраняет влияние изменения
растворенной влаги в жидких углеводородах, объемная доля которой зависит от температуры, атмосферного давления, типа углеводорода. Наличие
тонкого слоя влаги на нижней торцевой стенке резонатора структуру поля мод Н011 и Е010 практически
не искажает. Наличие такого тонкого слоя практически не изменяет резонансную частоту колебаний
(частота остается в пределах полосы задержания
ненагруженной системы), а добротность (за счет
изменения эффективной проводимости нижней
стенки) изменяется значительно. Измерение осажденной влаги происходит при большей нагруженной
добротности резонатора по сравнению с прототипом
(из измерений исключается парциальная добротность, вызванная потерями в растворенной влаге
исследуемого углеводорода, который удаляется из
полости ЦОР).
Литература
1. Справочник под редакцией Клюева В.В. Неразрушающий контроль и диагностика. М.: Машиностроение, 1995. 487 с.
2. Берлинер М.А. Измерение влажности. М.: Энергия, 1973. 201 с.
3. Патент РФ №2301418, МКл6 G 01 N 22/04, G 01 R
27/26. СВЧ-способ определения растворенной и осажденной влаги в жидких углеводородах/ Суслин М.А. (РФ) - №
2006101370/09; заявл. 17.01.06., опубл. 20.06.07 г. Бюл. №
17.
4. Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических
процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989. 208 с.
Военный авиационный инженерный университет (г. Воронеж)
Московский государственный университет инженерной экологии
AN EXPERIMENTAL STUDY OF CYLINDRICAL CAVITY RESONATOR
WITH A THIN LAYER OF HUMIDITY ON THE LOWER END WALL
A.L. Shatalov, M.A. Suslin, V.Yu. Prischepenko
In this article results of an experimental study of cylindrical cavity resonator with a thin layer of humidity on the lower
end wall are presented. Analysis of the known methods was carried out using simulation by finite element method in the system ANSYS. Practical application of research results can be a detection of precipitated water in aviation kerosene
Кey words: cylindrical cavity resonator, humidity, electric field