facebook
twitter
vk
instagram
linkedin
google+
tumblr
akademia
youtube
skype
mendeley
Wiki
Page translation
 

CПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ ГОРЮЧЕ-СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПО ИЗМЕРЕНИЮ КОМПЛЕКСНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕНИЯ МЕТОДОМ Е-ПЛОСКОСТНОЙ КРЕСТООБРАЗНОЙ ЛИНЗЫ

CПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ ГОРЮЧЕ-СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПО ИЗМЕРЕНИЮ КОМПЛЕКСНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕНИЯ МЕТОДОМ Е-ПЛОСКОСТНОЙ КРЕСТООБРАЗНОЙ ЛИНЗЫCПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ ГОРЮЧЕ-СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПО ИЗМЕРЕНИЮ КОМПЛЕКСНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕНИЯ МЕТОДОМ Е-ПЛОСКОСТНОЙ КРЕСТООБРАЗНОЙ ЛИНЗЫ
Vladimir Karlov, associate professor, ph.d. of technical science

Dnipropetrovsk National University named after O. Gonchar, Ukraine

Championship participant: the National Research Analytics Championship - "Ukraine";

the Open European-Asian Research Analytics Championship;

УДК 621.317

В статье рассматривается  возможность идентификации горюче-смазочных материалов по параметрам измеренного комплексного коэффициента отражения  при погружении выходного плеча Е-плоскостной крестообразной линзы анализатора в горюче-смазочную жидкость. Получена зависимость угла поворота плоскости поляризации коэффициента отражения от оптической активности горюче-смазочной жидкости.

Ключевые слова: векторный анализатор, резонатор, бензин, оптическая активность.

 

Введение. Сверхвысокочастотные векторные анализаторы цепей (VNA) широко используются, как на стадиях технологических процессов производства материалов и устройств, так и в процессе их эксплуатации.

Отличительная особенность Е-плоскостной крестообразной линзы, анализатора комплексного коэффициента отражения, заключается в возбуждении магнитной нитью с током волноводного  резонатора на отражение между образцовой неоднородностью крестообразной линзы и исследуемой неоднородностью. Образование стоячей волны в линзе, которая непосредственно нагружается на исследуемый объект, позволило регистрировать параметры вибрирующих неоднородностей в свободном пространстве. В публикации [1] подробно тестируется быстродействующий крестообразный анализатор.

С учетом различной оптической активности жидкостей, которыми постепенно заполняется   резонатор Е-плоскостной крестообразной линзы, в докладе предлагается идентификация различных марок моторных автомобильных масел и бензина  по измеренному комплексному коэффициенту отражения. Все сопутствующие публикации к докладу представлены на сайте < https://www.researchgate.net >[V.A. Karlov]..

На рис.1 представлена структурная схема устройства для измерения комплексного коэффициента отражения жидкости с использованием Е-плоскостного крестообразного анализатора.

На рис.2 представлен графический интерфейс тестирования крестообразной линзы.

Аппаратный интерфейс измерителя. Измерительный преобразователь векторного рефлектометра собран на основе волноводного Е-креста. Конструкция анализатора содержит два скалярных рефлектометра, которые измеряют коэффициенты ослабления мощности генератора “G” во втором (“Р2”) и третьем (“Р3”) плечах волноводного Е-креста.  

 

Рис. 1. Структурная схема устройства

Рис. 2. Калибровка и тестирование линзы на согласованный клин

 

Фокусировка неоднородности делителя в выходном измерительном плече анализатора на исследуемую неоднородность (жидкость) осуществляется фазовращателем “φ” с использованием устройства фокусировки “F”.

Методика фокусировки Е-плоскостной крестообразной линзы на исследуемую неоднородность подробно представлена в публикации  [2].

Исследуемая жидкость, моторное автомобильное масло (“motoroil”) или бензин (“benzine”),  наливается в радиопрозрачный сосуд (“vessel”), который размещается на поглощающем коврике.

Выходное измерительное плечо-зонд (“probe”) линзы заканчивается фланцем (“flange”) для подключения согласованной нагрузки или короткозамыкателя при предварительной калибровке прибора.

Устройство “D” осуществляет равномерное вертикальное  перемещение сосуда на заданную величину “d”. “d” – это длина регулярного отрезка прямоугольного волновода (длина резонатора), который заполнен жидкостью.

При проведении исследований измерялся комплексный коэффициент отражения Г от жидкости, которая заполнила прямоугольный волновод сечением 7.2 х 3.4 (мм), в зависимости от глубины погружения “d” зонда. Исследования проведены на фиксированных частотах генератора “G” в диапазоне от 26 ГГц до 38 ГГц.

Программный  интерфейс измерителя. Для предварительной калибровки-градуировки индикаторов мощности использовалась согласованная нагрузка (согласованный клин) с КСВН≤1.01, которая подключалась к фланцу зонда. При проведении измерений на фиксированной частоте коэффициент отражения Г, в зависимости от глубины погружения зонда в жидкость, вычислялся из решения системы двух квадратных уравнений (точки пересечения двух окружностей). Квадрат радиусов этих окружностей пропорционален показаниям индикаторам мощности “Р2” и “Р3”. Чтобы измеритель реализовал измерение  Г с погрешностью 1% по модулю и 2° по фазе, стабильность показаний индикаторов мощности должна быть не более 0.5%.

На рис. 2 представлен графический интерфейс тестирования крестообразной линзы на согласованный клин (согласованную нагрузку). Цель исследования: как сохраняются градуировочные коэффициенты индикаторов мощности во время проведения исследований?

Методика тестирования линзы. При калибровке и при последующих измерениях “вибрация” зонда на величину пространственного периода коэффициента отражения осуществляется фокусирующим фазовращателем  “φ”. Как видно из рис.2, при каждом измеренииГ для поворота измеряемого Г-вектора на 360° анализатор измерил 750 значений коэффициента отражения Г. Предварительно, во время калибровки, для этих  750 положений фазовращателя, измеритель запомнил 750 пар градуировочных коэффициентов для индикаторов мощности “Р2” и “Р3”.  

На рис.2 представлена осциллограмма  42-го повтора проверки сохраняемости  градуировочных коэффициентов для  “Р2” и “Р3”.   Из 750 измеренных значений Г максимальное отклонение, по модулю, от Г=0 равно “0.0085511”. Результирующее значение Г вычисляется методом медианной фильтрации и для 42-ого повтора равно “0.0029585” (КСВН≤1.006). Контрольная величина данной погрешности соответствует КСВН≤1.01.

Проверка погрешности измерения  анализатором комплексного коэффициента отражения Г в сечении “открытыйфланец” зондаосуществлялась методом подвижной нагрузки [3]. Погрешность измерения разработанной конструкции измерителя равна 2% по модулю и 4° по смещению фазы коэффициента отражения. Увеличение погрешности измерения Г в два раза произошло из-за сложной конструкции зонда  “probe”, которая содержала 90-градусный Е-плоскостной волноводный изгиб между двумя отрезками прямоугольного волновода.

Результаты экспериментальных исследованийпредставлены  на рис.3 – рис.6.

На рис. 3 представлены зависимости двух модулей двух коэффициентов отражения Г от бензина марки АИ-95 (пробы АИ-95А и АИ-95В) в зависимости от  Nd=172-ух фиксированных значений величины “d” при равномерном погружении зонда в бензин. Как видно из рисунка, результирующий модуль коэффициента отражения Г образовался в результате векторного сложения вектора коэффициента отражения от переднего слоя бензина Г0 и вектора Гd, который характеризует выходную результирующую интерференционную волну резонатора длиной “d”. Источником интерференционных волн является “скачок” волнового сопротивления волновода в сечении “фланец зонда - внешний объем заполненный  бензином”.

Для бензина пробы АИ-95А модуль коэффициента отражения от поверхности бензина равен Г0=0.2563, а для бензина пробы АИ-95В – Г0=0.2458.

Измеренный модуль  коэффициента отражения Г0 от поверхности исследуемого бензина является первым параметром,  который может быть использован при идентификации бензина.

Как видно из рис. 3, каждая марка бензина имеет свой коэффициент затухания амплитуд волн, которые, в данном случае, падают и переотражаются в отрезке “d”, заполненного бензином волновода. По результатам измерений коэффициент затухания α модуля Гдля бензина пробы АИ-95А равен α=0.84 Db на длину волны в волноводе, а  для бензина пробы АИ-95В равен α=0.66 Db на длину волны в волноводе.

Коэффициент затухания α модуля коэффициента отражения Г может быть использован, как второй параметр при идентификации бензина.

Как видно из рис.3, из-за наличия затухания электромагнитной волны в бензине с увеличением глубины погружения волноводного зонда в бензин измеренный коэффициент отражения Г стремится к коэффициенту отражения только от поверхности бензина Г0.

Для косвенной оценки оптической активности жидкости следует отслеживать отставание сечения синфазного сложения векторов Г0 и Гв  каждом периоде коэффициента отражения по отношению к предыдущему (предыдущим) периодам.

Анализатор отслеживает пучности стоячей волны, а их местоположения на фазовой плоскости Г зависят от оптической активности жидкости, которой заполнен резонатор и от его длины “d”.

Угол θ, который характеризует оптическую плотность жидкости, вычисляется по следующей методике:

  • -  определяется фаза θ1 модуля |Г|max, в первом периоде Г со стороны фланца;  
  • - вычисляется фаза θмодуля |Г|max в периоде измеренного коэффициента отражения;
  • - угол θ вычисляется по формуле θ = (θN- θ1)/(N– 1).

На рис. 4.а и на рис. 4.b представлена комплексная плоскость коэффициента отражения (Г-плоскость), на которой размещаются последовательные значения Г при погружениизонда на величину первого периода коэффициента отражения. Как видно из поляризационного эллипса коэффициента отражения, фаза |Г|max в первом периоде коэффициента отражения для бензина пробы АИ-95А равна θ1=150°,а длябензина пробы АИ-95В – θ1=140°.

На рис. 4.cи на рис. 4.dпредставлены Г-плоскости для 7-го периода коэффициента отражения, то есть, длина зонда заполненного бензином равна 7-ми периодам Г. Как видно из рисунков, для  пробы АИ-95А  θ7=350°, а для пробы АИ-95В  θ7=400°. Таким образом, угол поворота вектора |Г|max  соответственно для проб АИ-95А и АИ-95В равен ∆θ7=200° и θ7=260°. Угол поворота вектора |Г|max между соседними  периодами коэффициента отражения для бензина пробы АИ-95А  равен θ=(200/6)°=33.3°, а для бензина пробы АИ-95В – θ=43.3°. Оптическая активность бензина пробы АИ-95В больше, чем бензина  АИ-95А.

Угол θ, который равен углу поворота эллипса поляризации отраженной волны  за один период коэффициента отражения, использован, как третий параметр при идентификации бензина.

Чем больше угол θ, тем больше оптическая активность жидкости.

На рис. 5 и на рис. 6 представлены аналогичные результатыэкспериментального тестирования двух проб моторного масла типа “synthetic”: проба 5W-40и проба 5W-40различных производителей.

 

a) θ1=150°

b) θ7=350°

 

c) θ1=140°

d)θ7=400°

 

 

 

Рис. 3  Зависимости модуля Г от глубины погружения зонда в бензин для АИ-95А,  АИ-95В

 

Рис. 4. Значения в бензине фаз вектора с |Г|max в первом θ1 и седьмом θ7 периодах Г для  АИ-95А (a,b) ,АИ-95В (c,d)

 

 

 

   a)

a)  θ1=50°

b) θ10=360°+287°

 

    b)

c) θ1=66°

d)θ10=360°+252°

 

Рис. 5. Зависимости модуля Г от глубины погружения зонда в автомасло  5W-40aи 5W-40b

Рис. 6. Значения в автомасле фаз вектора с |Г|max в первом θ1 и десятом θ10 периодах Г для  5W-40a(a,b) идля5W-40b(c,d)

 

 

Методики тестирования масел и их идентификация по предлагаемым основным параметрам аналогична методикам для бензина.

Согласно рисункам рис.3 рис.6, в таблице приведены основные параметры исследуемых автомобильного бензина и моторных масел.

Таблица

Значения основных параметров для автобензина и автомасел различных производителей

Проба

F,GHz

α, Db

Г0

θ

∆θ

F,GHz

Проба

α, Db

Г0

θ

∆θ

АИ-95А

29

0.84

0,256

33.3°

 

-10°

33

5W-40a

0

0.2265

66.3°

 

5.6°

АИ-95В

29

0.66

0.246

43.3°

33

5W-40b

0

0.2668

60.7°

Где:  α, Db коэффициент затухания электромагнитной волны в жидкости на частоте F;

Г0 – коэффициент отражения от жидкости;

θ° – угол, который характеризует поляризационную активность жидкости.

Исследования проведаны при технической поддержке  "Elmika" company, Vilnius.

Выводы. Исследования показали возможность измерения параметров горюче-смазочных жидкостей при непосредственном их заполнении  выходного волноводного плеча-зонда крестообразного анализатора. Оценка оптической активности жидкостей  получена на основе анализа угла поворота эллипса поляризации отраженной волны от нагруженного слоя жидкости в волноводе (нагруженного на открытый срез волновода). Измеренные основные параметры жидкостей однозначно идентифицировали две пробы автобензина марки АИ-95 и две пробы синтетического автомасла марки 5W-40.

Предлагаемое устройство и способ могут быть использованы, как на стадии производства, так и при текущем (сравнительном) контроле параметров   горюче-смазочных жидкостей.

 

Литература:

  • 1. Karlov V.A. Sounding object in free space with help the millimeter cross-shaped analyzer // Experiment Findings. – March 2016. – DOI 10.13140/RG.2.1.1939.3688. Режим доступа:  < https://www.researchgate.net>.
  • 2. Karlov V.A.Development of analyzers complex reflection coefficient based E-plane crossed lens // Research:  DOI 10.13140/RG.2.1.4880.0728.
  • 3. Карлов В.А. Вимірювання комплексного коефіцієнта відбиття методом багатоплечої Е-площиної відлікової неоднорідності // У збірнику Міжнародної наук.-техн. конференції  “Радіотехнічні поля, сигнали, апарати та системи ”, КПІ, Київ, 2015, с. 94-96.
0
Your rating: None Average: 8 (1 vote)
Comments: 3

Adambaev Murat

В работе рассмотрены вопросы статической идентификации параметров горюче-смазочных жидкостей на основе взятых проб. Для полной идентификации (определения моделей и динамических параметров исследуемого объекта) необходимо продолжить работу в направлении динамической идентификации. С уважением Мурат Адамбаев.

Simonian Geworg

Уважаемый Владимир Анатольевич! Хорошая экспериментальная и убедительная работадея прекрасная. Предлагаемое Вами устройство можно использованы, как на стадии производства, так и при контроле параметров горюче-смазочных жидкостей. С уважением Геворг Саркисович

Treschalin Michail Yuriyevich

Уважаемый Владимир Анатольевич! Идея прекрасная. Результаты эксперимента убедительны. Когда то в юности при помощи полупроводникового лазера и интегрирующей сферы мы определяли качество отбелки текстильных материалов. Думаю Ваш подход будет эффективен в динамике, т.е. ставить зонды непосредственно на трубе, по которой течет бензин. Удачи Вам! С уважением М.Ю. Трещалин
Comments: 3

Adambaev Murat

В работе рассмотрены вопросы статической идентификации параметров горюче-смазочных жидкостей на основе взятых проб. Для полной идентификации (определения моделей и динамических параметров исследуемого объекта) необходимо продолжить работу в направлении динамической идентификации. С уважением Мурат Адамбаев.

Simonian Geworg

Уважаемый Владимир Анатольевич! Хорошая экспериментальная и убедительная работадея прекрасная. Предлагаемое Вами устройство можно использованы, как на стадии производства, так и при контроле параметров горюче-смазочных жидкостей. С уважением Геворг Саркисович

Treschalin Michail Yuriyevich

Уважаемый Владимир Анатольевич! Идея прекрасная. Результаты эксперимента убедительны. Когда то в юности при помощи полупроводникового лазера и интегрирующей сферы мы определяли качество отбелки текстильных материалов. Думаю Ваш подход будет эффективен в динамике, т.е. ставить зонды непосредственно на трубе, по которой течет бензин. Удачи Вам! С уважением М.Ю. Трещалин
PARTNERS
 
 
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
Would you like to know all the news about GISAP project and be up to date of all news from GISAP? Register for free news right now and you will be receiving them on your e-mail right away as soon as they are published on GISAP portal.