Спосіб дистанційного вимірювання вологості твердих матеріалів та пристрій для його здійснення

Изобретение относится к сверхвысокочастотной влагометрии и может быть использовано для измерения влажности твердых материалов, преимущественно строительных материалов и конструкций при одностороннем доступе к ним, по времени распространения электромагнитных импульсов-СВЧ в контролируемой среде. Известен способ дистанционного измерения влажности твердых материалов (Hamid M.A.K. Survey of radio frequency techniques for teledetectlon of soil mais ture. - J. Microwave Power, 1973, 8, N 3, p.17), основанный на формировании последовательности коротких импульсов, зондировании этими импульсами отрезка длинной линии (коаксиальной или двухпроводной), введенной в контролируемую среду, измерении времени распространения отраженных импульсов вдоль его длины и определении влажности контролируемой среды по калибровочной кривой, связывающей влажность среды с временем распространения импульсов. Недостатком способа является низкая точность измерения влажности из-за больших погрешностей определения времени распространения импульсов подлинной линии, обладающей большими потерями. Необходимость введения отрезка длинной линии в контролируемую среду ограничивает возможность измерения влажности в материалах с высокой твердостью методом временной рефлектометрии. Известен способ дистанционного измерения влажности твердых материалов (Беннет С.Л., Росс Дж.Ф. Времяимпульсные электромагнитные процессы и их применение) (ТИИЭР, 1973, - Т.66. №3, с.35-37), основанный на генерировании последовательности коротких импульсов, которые используются в качестве опорных, зондировании этими импульсами линии поверхностной волны в виде одиночного изолированного проводника, приеме отраженных от конца линии импульсов и измерении временного интервала между опорными и отраженными импульсами. Устройство, реализующее этот способ, содержит генератор коротких импульсов, линии поверхностной волны в виде одно-проводной линии Губо в тефлоновой оболочке, подключенной через ответвитель и коаксиальный рупор к выходу генератора импульсов, и вычислительный микропроцессорный блок, подключенный к выходу ответвителя. Импульсы, отраженные от края рупора и границы раздела сред (воздух - влажная среда) поступают в процессор через известное время после посылки зондирующего импульса. Импульсы, отраженные от конца линии запаздывают на время, пропорциональное влажности среды, окружающей линию. В микропроцессорном блоке вычисляется временной интервал между зондирующим и отраженным от конца линии импульсами, а неинформативные импульсы от края рупора и границ раздела сред из вычислительной обработки исключаются. Однако непостоянство времени распространения импульсов до границы раздела сред вследствие влияния влажности окружающей среды не позволяет полностью подавить помеху, что снижает точность дистанционного измерения влажности. Известен также способ дистанционного измерения влажности твердых материалов (Викторов В.А., Лунин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М., "Наука", 1978, С.257258), основанный на генерировании исходной последовательности коротких видеоимпульсов, зондировании импульсами влажного материала, приеме отраженных от поверхностей материала импульсов, измерений временного интервала между принятыми импульсами и определение влажности по зависимости времени распространения импульсов внутри материала от количества имеющейся воды. При этом зондирование влажного материала осуществляется короткими импульсами, распространяющимися в отрезке длинной линии с согласованной нагрузкой, которую помещают во влажную среду, а принятые импульсы индицируют на экране осциллографа, по которому определяют время распространения импульса внутри влажного материала. Устройство, реализующее этот способ, содержит управляемый по частоте генератор коротких видеоимпульсов подключенный к его выходу, цифровой частотомер, последовательно соединенные усилитель видеоимпульсов с автомагической регулировкой усиления и компаратор. Кроме того устройство содержит отрезок полосковой линии, помещенный в контролируемую среду, высокоимпедансный зонд, осциллограф, подключенный к выходу зонда через усилитель. Поскольку время распространения импульсов по линии связано с переменной диэлектрической проницаемостью окружающей среды, которая пропорциональна массовой доле воды в материале, то время задержки импульсов, отраженных от двух границ раздела сред (воздух - материал и материал-воздух) однозначно определяет влажность контролируемого материала. Однако известному способу и устройству присущи определенные недостатки. Время распространения электромагнитных импульсов в материалах с толщиной от десятков миллиметров до нескольких метров находится в пределах от единиц до сотен наносекунд при длительности зондирующих импульсов не более 1 нс. Измерить столь малые интервалы времени визуально по экрану осциллографа с погрешностью менее 10% трудно. Заполнить эти временные интервалы достаточно большим количеством еще более коротких импульсов для последующего счета не менее сложная техническая задача. Введение отрезка длинной линии (двухпроводной или однопроводной) в твердый материал вызывает дополнительные погрешности из-за неизбежных деформаций линии, приводящих к появлению неоднородностей в контролируемой среде и нарушению влагопроводимости материала. В основу изобретения положена задача создать способ и устройство дистанционного измерения влажности твердых материалов, в которых измерение влажности осуществлялось бы по периоду повторения зондирующих импульсов СВЧ, который устанавливается автоматически в зависимости от влажности контролируемого материала. Поставленная задача решается тем, что в способ дистанционного измерения влажности твердых материалов, основанный на генерировании исходной последовательности коротких видеоимпульсов, зондировании импульсами влажного материала, приеме отраженных от поверхностей материала импульсов, измерении временного интервала между принятыми импульсами и определении влажности по зависимости времени распространения импульсов внутри влажного материала от количества имеющейся воды при помощи калибровочной кривой с учетом толщины материала, согласно изобретению, из исходной последовательности видеоимпульсов формируют СВЧ радиоимпульсы, излучают их в направлении материала, принимают отраженные СВЧ радиоимпульсы, период повторения исходных импульсов в начале устанавливают пропорциональным расстоянию до контролируемого материала, их последовательности продетектированных радиоимпульсов создают короткие импульсы, короткими импульсами формируют последовательности противофазных прямоугольных импульсов с длительностями, пропорциональными влажности контролируемого материала, сравнивают постоянные составляющие напряжений последовательностей прямоугольных импульсов, уменьшают период повторения исходных импульсов до достижения равенства сравниваемых напряжений, измеряют период повторения исходных видеоимпульсов, определяют время распространения СВЧ радиоимпульсов внутри материала, определяют влажность материала по калиброванной кривой с учетом толщины материала и периода повторения исходных видеоимпульсов. Поставленная задача решается также тем, что в устройство, содержащее управляемый по частоте генератор коротких видеоимпульсов, подключенный к его выходу цифровой частотомер, последовательно соединенные усилитель видеоимпульсов с автоматической регулировкой усиления и компаратор, согласно изобретению дополнительно введены импульсный СВЧ генератор, циркулятор, входом соединенный с выходом импульсного СВЧ генератора, подключенный модулирующим входом к выходу генератора коротких видеоимпульсов; рупорная антенна, подключенная к одному выходу циркулятора; детекторная секция, соединенная со вторым выходом циркулятора, выходом соединенная с входом усилителя видеоимпульсов; триггер, подключенный счетным входом к выходу компаратора; операционный усилитель, соединенный с выходами триггера; интегратор, соединенный с выходом операционного усилителя; выход интегратора соединен с управляющим входом генератора коротких видеоимпульсов. Дополнительное формирование из исходной последовательности видеоимпульсов СВЧ радиоимпульсов, детектирование принятых радиоимпульсов и формирование из них последовательности радиоимпульсов, формирование из них противофазных прямоугольных импульсов с длительностями, пропорциональными влажности контролируемого материала, введение импульсного СВЧ генератора, циркулятора, рупорной антенны и детекторной секции обеспечивает бесконтактное зондирование контролируемого материала и определении его влажности по установившемуся периоду повторения исходной последовательности импульсов. На фиг.1 представлена схема устройства для дистанционного измерения влажности твердых материалов; на фиг.2 - эпюры напряжений в характерных точках схемы устройства. Устройство содержит управляемый по частоте генератор 1 коротких видеоимпульсов, импульсный СВЧ генератор 2, циркулятор 3, рупорную антенну 4, объект контроля 5, детекторную секцию 6, усилитель 7 видеоимпульсов с автоматической регулировкой усиления, компаратор 8, симметричный триггер 9, операционный усилитель 10, интегратор 11 и цифровой частотомер 12. Генератор 1 соединен с модулирующим входом СВЧ генератора 2, к выходу которого через циркулятор 3 подключена рупорная антенна 4, облучающая контролируемый материал 5, К второму выходу циркулятора 3 подключена детекторная секция 6, к выходу которой подключены последовательно соединенные усилитель 7 видеоимпульсов и компаратор 8, к выходу которого счетным входом подключен симметричный триггер 9. Парафазные выходы триггера 9 соединены с прямым и инверсным входами операционного усилителя 10. Выход операционного усилителя 10 через интегратор 11 соединен с управляющим входом усилителя 1 коротких видеоимпульсов. Цифровой частотомер 12, например, микропроцессорный, подключен к выходу генератора 1. Частотомер 12 работает в режиме пери одомера и программируется с учетом толщины контролируемого материала 5 и параметров калибровочной кривой. Сущность предлагаемого способа дистанционного измерения влажности твердых материалов заключается в следующем (фиг.2). Генерируют исходную последовательность коротких видеоимпульсов следующих равномерно с периодом повторения Τ1 (фиг.2,а). Из исходных импульсов формируют, последовательность СВЧ импульсов, которую излучают в направлении контролируемого материала и зондируют его по толщине. Импульсы, отраженные от поверхности материала, принимают и детектируются (фиг.2, б). Отраженные от поверхности материала импульсы (от границы раздела воздух-материал) задерживаются относительно излученных на время где I - расстояние до зондирующего материала; с - скорость распространения электромагнитных волн в воздухе. Импульсы, прошедшие через материал и отраженные от противоположной поверхности материала (от границы раздела материал-воздух), задерживаются уже на время где d - толщина материала; ε - диэлектрическая проницаемость влажного материала. Принятые импульсы, отраженные от двух границ раздела сред с различной диэлектрической проницаемостью, образуют в общем случае неравномерную последовательность импульсов, в которой временной интервал между соседними принятыми импульсами определяются разностью задержек (1) и (2) При этом период повторения пар отраженных импульсов определяется периодом повторения зондирующих импульсов, которые совпадают с периодом повторения исходных импульсов. Вначале период повторения исходных импульсов выбирают пропорциональным расстоянию до зондируемого материала. Учитывая, что задержка отраженных от материала импульсов пропорциональна этому расстоянию, имеем где F1 - частота следования исходных импульсов. Из неравномерной последовательности принятых импульсов прямоугольных импульсов с амплитудой U и длительностью Dt1 (фиг.2,г) формируют последовательность Пауза между прямоугольными импульсами зависит от периода их повторения (4) и длительности импульсов (5), т.е. Одновременно с последовательностью прямоугольных импульсов с параметрами (5) и (6) формируют противофазную последовательность прямоугольных импульсов. В этой последовательности импульсов длительность самих импульсов (фиг.2,д) а длительность пауз соответственно Из периодической последовательности импульсов (5), (6) и противофазной последовательности импульсов (7), (8), выделяют постоянные составляющие напряжений: где U0 - амплитуда прямоугольных импульсов. Сравнивают постоянные напряжения (9) и (10) и получают разностное напряжение (фиг.2, е) Уменьшают период следования Т, исходных импульсов до получения нулевого значения разностного напряжения (11). При достижении нулевого значения напряжения имеем (фиг.2,ж) где Τп - период повторения исходных импульсов, соответствующих равенству сравниваемых напряжений. Из соотношения (12) получают время распространения СВЧ импульсов внутри материала где Fп - установившаяся частота следования коротких видеоимпульсов. Диэлектрическая проницаемость влажного материала определится соотношением ι Зависимость диэлектрической проницаемости ε материала от его влажности W в общем случае нелинейна. При малых влажностях зависимость диэлектрической проницаемости от W полога, так как вода в составе материала находится в связанном (мономолекулярная адсорбция) и слабо поляризуется. При больших влажностях зависимость ε от W крутая, из-за появления свободной воды в составе материала (полимолекулярная адсорбция) (Кричевский Е.М. и др. Контроль влажности твердых и сыпучих материалов/ Е.С.Кричевский, А.Г.Волченко, С.С.Галушкин; Под ред. Е.С.Кричевского. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - с.2324). Указанную зависимость можно приближенно аппроксимировать полиномом вида где а и b - эмперические константы, зависящие от структуры контролируемого материала. В частности, для влажностей в диапазоне значений - 10-60% диэлектрическая проницаемость Подставляя значение ε из (15) в выражение (14), получаем откуда период повторения исходной последовательностей импульсов Таким образом, период повторения импульсов Τη, установленный по равенству сравниваемых напряжений (12), пропорционален влажности контролируемого материала. При этом влажность окружающей среды, влияющая на время распространения отраженных импульсов (1) и (2), не влияет на результат (14) дистанционного измерения диэлектрической проницаемости, а следовательно, и влажности самого материала. В общем случае зависимость между периодом повторения импульсов Т п и влажностью материала W нелинейно. Поэтому непосредственно измеряют период Т п повторения импульсов, а влажность W определяют по калибровочной кривой, связывающей эти величины. Безконтактное зондирование СВЧ импульсами контролируемого материала исключает погрешности от перераспределения влаги внутри материала, а непосредственное измерение времени распространения импульсов только внутри материала устраняет влияние потерь в канале передачи и приема импульсных сигналов. Устройство для дистанционного измерения влажности твердых материалов работает следующим образом (фиг.1). Короткие импульсы генератора 1 с напряжением U1 (фиг.2,а) поступают на модулирующий вход генератора 2 и возбуждают в нем СВЧ импульсы, которые через циркулятор 3 поступают в рупорную антенну 4 и излучаются в направлении контролируемого материала 5. По частотомеру 12, работающему в режиме периодомера, устанавливают начальный период повторения импульсов в соответствии с выражением (4), исходя из расстояния до контролируемого материала. Отраженные от поверхностей материала СВЧ импульсы принимаются рупорной антенной 4 и через циркулятор 3 направляются в детекторную секцию 6. Выделенные детектором видеоимпульсы U6 (фиг.2б) усиливаются усилителем 7 с автоматической регулировкой усиления и поступают на компаратор 8, в котором формируют короткие однополярные импульсы при заданном пороговом уровне U8 (фиг.2,в). Однополярные импульсы воздействуют на счетный вход триггера 9, переключая его с частотой следования коротких импульсов. В результате периодических переключений на выходах триггера 9 формируются противофазные последовательности прямоугольных импульсов (фиг.2,г, д). В одной последовательности импульсов U9 длительность прямоугольных импульсов равна времени распространения СВЧ импульсов внутри влажного материала (5). В противофазной последовательности импульсов U9 длительность прямоугольных импульсов равна разности периода повторения импульсов и времени распространения СВЧ импульсов внутри контролируемого материала 7. Противофазные последовательности прямоугольных импульсов воздействуют на ходы операционного усилителя 10. На выходе операционного усилителя 10 вследствие усиления разности импульсных напряжений формируется непрерывная последовательность разнополярных прямоугольных импульсов с длительностями, равными соответственно длительностям импульсов (5) и (7) в последовательностях противофазных импульсов с амплитудой U10 (фиг.2, е). Интегратор 11 заряжается до напряжения U11, пропорционального разности длительностей положительных и отрицательных импульсов (фиг.2,ж). Под воздействием возрастающего напряжения интегратора 11 повышается частота следования импульсов генератора 1, уменьшая период следования зондирующих СВЧ импульсов от значения Τ 1 до значения Тп (фиг.2,а). В результате этого изменяется длительность пауз (6) и импульсов (7) в противофазных последовательностях прямоугольных импульсов на выходах триггера 9. При этом длительности импульсов (5) и пауз (8) сохраняются, так как эти параметры определяются временем распространения СВЧ импульсов во влажном материале. Процесс автоматического регулирования периода повторения исходных импульсов генератора 1 длится до тех пор, пока не уравняются длительности импульсов и пауз в противофазных последовательностях импульсов на выходах триггера 9 (фиг.2, е). При этом уравниваются длительности положительных и отрицательных импульсов на выходе операционного усилителя 10, и заряд интегратора 11 прекращаются (фиг.2,ж). Установившееся значение периода повторения видеоимпульсов Тп генератора 1 измеряется цифровым частотомером 12, запрограммированным на вычисление влажности материала 5 по измеренной частоте следования импульсов. В качестве констант в память частотомера вводят скорость С распространения электромагнитных волн в воздухе, толщину d материала и константу b, учитывающую структуру материала, что позволяет непосредственно измерять большие влажности. В случае измерения влажности материалов, изменяющейся в широком диапазоне значений, в память цифрового частотомера 12 необходимо вводить параметры калибровочной кривой, а влажность вычислять по текущему значению периода повторения исходной последовательности импульсов. Одноканальная структура измерительного устройства и обработка информации микропроцессорным частотомером обеспечивает повышенную точность измерения. При измерении частоты следования исходной последовательности импульсов в диапазоне 1-100 МГц обеспечивается определение времени распространения СВЧ импульсов внутри влажности материала от 5 до 500 нс, что дает возможность определять влажность материала толщиной от 0,05 м до 1 м в диапазоне значений (3-40)% с погрешностью не более 0,5%. Так, например, при измерении влажности бетонных сооружений толщиной d = 1 м, в процессе их сушки, для которых коэффициент b в формуле (18) имеет значение b = 7 · 10-3, а скорость распространения СВЧ колебания в воздухе С=3 · 108 м/с, установившееся значение периода повторения импульсов при начальной влажности W = 60% составляет: При конечной влажности W = 10% период следования импульсов уменьшается до значения Таким образом, диапазон измеряемых влажностей в процессе сушки бетона, от 60% до 10% перекрывается управляемым по частоте импульсным генератором, частота следования импульсов которого изменяется от 10 МГц до 100 МГц. Современные цифровые микропроцессорные частотомеры, например 4365 обеспечивают необходимые вычислительные операции, которые определяются формулой (18), с импульсами с частотой до 500 МГц.