Спосіб контролю змін інтегрального складу газового середовища

Реферат: Винахід належить до галузі електричних вимірювань і може бути використаний у вуглевидобувних шахтах, в системах контролю відпрацьованих газів двигунів внутрішнього згорання або в аналогічних комплексних системах, де є вкрай важлива задача моніторингу концентрації вторинних шкідливих, вибухо- та пожежонебезпечних продуктів виробництва. Спосіб контролю змін інтегрального складу газового середовища заснований на вимірюванні змін набігу фаз мікрохвильового сигналу при його багаторазовому поширенні по замкнутій хвилевідній структурі, через яку також пропускають повітря їх навколишнього середовища. Шляхом регулювання як загальної довжини хвилевідної структури, яка виступає як вимірювальна траса, так і частоти настроювання смугового низькочастотного фільтра, що виділяє інформаційний низькочастотний сигнал, можна отримати різну чутливість системи в цілому. За заявленим способом вона є варійованим параметром. Це дозволяє проводити загальне калібрування щодо певного типу контрольованої речовини з відомим значенням її діелектричної проникності, наприклад, горючих, вибухонебезпечних і/або токсичних газів. За рахунок використання хвилевідної структури, усередині якої циркулює потік повітря з навколишнього простору, повністю виключається необхідність застосування додаткових ретрансляторів, віддалених від вимірювального блока. Спосіб забезпечує підвищення точності контролю змін інтегрального складу повітря та спрощення системи, що функціонує за заявленим способом. UA 106183 C2 (12) UA 106183 C2 UA 106183 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі електричних вимірювань і може застосовуватися для контролю змін інтегрального складу газового середовища у вуглевидобувних шахтах, в системах контролю відпрацьованих газів двигунів внутрішнього згорання або в аналогічних комплексних системах, де є вкрай важлива задача моніторингу концентрації вторинних шкідливих, вибухо- та пожежонебезнечних продуктів виробництва. Досить відомими є методи контролю змін складу газового середовища, такі як: парамагнітні, електрохімічні, термокаталітичні, оптичні [див., наприклад, Электрические измерения неэлектрических величин / A.M. Туричин, Б.Э. Аршанский, И.А. Зограф и др. / Под общей ред. И.В. Новицкого. — М.—Л.: Энергия, 1966. — 690 c.]. У кожного з них є свої достоїнства та недоліки. При цьому усі зазначені способи контролю газового середовища вимагають постійного догляду за датчиками, що може бути неприйнятним у ряді деяких застосувань. Найбільш близьким до заявленого винаходу належить спосіб контролю виміру інтегрального складу газового середовища, описаний в патенті України № 95712 від 25.08.2011. Даний спосіб передбачає, перш за все, наявність двох окремих рознесених функціональних блоків стаціонарного виконання, в кожному з яких встановлені приймально- передавальні антени. Система характеризується відомою точністю контролю змін інтегрального складу газового середовища і відсутністю необхідності догляду за її вузлами і, як наслідок, тривалим терміном безперервної експлуатації. Система заснована на принципі вимірювання набігу фази радіохвиль з використанням гомодинного перетворення частоти вимірювального сигналу. За вказаним способом в базовій станції генерують мікрохвильові коливання з початковою амплітудою, частотою і фазою, які подають на мікрохвильовий вхід амплітудного модулятора, на модуляційний вхід якого подають низькочастотний сигнал синхронізації. Промодульовані за амплітудою коливання подають через мікрохвильовий Y-циркулятор на мікрохвильову антену і випромінюють у напрямку ретранслятора електромагнітну хвилю, причому при розповсюдженні мікрохвильовий сигнал набуває набіг фази, який, в загальному випадку, буде залежати від довжини траси та діелектричної проникності середовища поширення. У ретрансляторах прийнятий мікрохвильовий сигнал пропускають через смуговий фільтр, що настроюється на частоту мікрохвильового генератора базової станції, після чого цей сигнал підсилюють, подають на сигнальний вхід керованого мікрохвильового фазообертача і додатково демодулюють. З виходу демодулятора низькочастотний сигнал подають на керуючий вхід мікрохвильового фазообертача, де здійснюють зміщення частоти прийнятого і посиленого мікрохвильового сигналу. Трансформовані за частотою мікрохвильові сигнали перевипромінюють в напрямку антени базової станції, де прийнятий мікрохвильовий сигнал змішують з вихідним і виробляють подальші перетворення, причому на виході фазового детектора отримують сигнал, пропорційний набігу фаз мікрохвильового сигналу, при його двократному проходженні вимірювальної траси відомої довжини. Однак всі наведені теоретичні відомості та математичні викладки говорять про те, що точність вимірювань даним способом буде прямо залежати від рознесення функціональних блоків у просторі, що робить неможливим використання даної системи на невеликих відстанях, в зв'язку зі значним погіршенням її чутливості. З іншого боку, перевипромінювана ретранслятором електромагнітна хвиля, поширюючись у вільному просторі, зазнає загасання, пропорційне її прохідній відстані, що зобов'язує застосувати додаткові підсилювачі, що впливають на загальне енергоспоживання та потужність випромінювання передавачів. Тому при проектуванні даної системи необхідно вирішувати комплексну задачу — забезпечити необхідну точність, шляхом збільшення відстані між ретранслятором і базовою станцією при їх мінімальному енергоспоживанні. Все зазначене в загальному випадку ускладнює настройку зазначеної системи і надає їй відому громіздкість, що утрудняє її використання в ряді застосувань. В основу заявленого винаходу поставлено задачу підвищення точності контролю змін інтегрального складу газового середовища, спрощення конструкції можливого вимірювача і переходу від стаціонарного конструктивного виконання системи до переносного. Поставлена задача вирішується наступним чином. У способі контролю змін інтегрального складу газового середовища, за яким генерують безперервні мікрохвильові коливання з відомою частотою 0, мікрохвильові коливання випромінюють в контрольоване повітряне середовище, при цьому мікрохвильові коливання при проходженні вимірювальної повітряної траси відомої довжини набувають набіг фази, який пропорційний довжині вимірювальної траси і діелектричній проникності середовища поширення, мікрохвильові коливання приймають і подають на сигнальний вхід керованого мікрохвильового фазообертача, на керуючий вхід якого подають низькочастотний сигнал з частотою F, за 1 UA 106183 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 допомогою фазообертача здійснюють зміщення частоти мікрохвильового сигналу на частоту F низькочастотного генератора, трансформовані за частотою мікрохвильові коливання з частотою 1=0+F подають на перший вхід змішувача, на другий вхід якого подають вихідні мікрохвильові коливання з частотою 0 і після гомодинного перетворення сигналів у змішувачі, виділяють низькочастотний сигнал з частотою F=1-0, який подають на перший вхід фазового детектора, на другий вхід фазового детектора подають низькочастотний опорний сигнал з частотою F, таким чином, на виході фазового детектора отримують сигнал, пропорційний набігу фази мікрохвильового сигналу при його проходженні вимірювальної траси, по зміні якого контролюють зміни інтегрального екладу газового середовища, згідно з винаходом, спочатку генерують низькочастотні коливання з відомою частотою NF, яку потім ділять на Ν та отримують низькочастотні опорні коливання з частотою F, при цьому як вимірювальну трасу використовують замкнуту кільцеву хвилевідну структуру відомої довжини, всередині якої встановлюють керований мікрохвильовий фазообертач і мікрохвильовий підсилювач, які включені послідовно, при цьому в замкнутій кільцевій хвилевідній структурі через перший спрямований відгалужувач збуджують і направляють в заданому напрямку мікрохвильові коливання з частотою 0, через ту ж замкнуту хвилевідну структуру пропускають потік повітря з навколишнього середовища, мікрохвильові коливання з частотою 0 направляють у бік сигнального входу керованого мікрохвильового фазообертача, за допомогою якого здійснюють зміщення частоти мікрохвильових коливань на частоту F опорного сигналу, після чого трансформовані за частотою мікрохвильові коливання з частотою 1=0+F подають на вхід мікрохвильового підсилювача, за допомогою якою компенсують втрати енергії мікрохвильового сигналу, що мають місце в керованому фазообертачі та у хвилевідній структурі, посилені і трансформовані за частотою мікрохвильові коливання знову пропускають через замкнуту хвилевідну структуру, через яку також пропускають повітря з навколишнього середовища, і які знову подають на сигнальний вхід керованого мікрохвильового фазообертача, за допомогою якого знову зміщують частоту мікрохвильових коливань на частоту F низькочастотного опорного сигналу, в результаті чого на виході керованого фазообертача отримують мікрохвильові коливання з частотою 2=0+2F, причому коефіцієнт посилення мікрохвильового підсилювача підбирають таким чином, щоб генерація сигналів не наступала, після чого процес повторюють кілька разів і в черговий, N-ий, раз на виході мікрохвильового підсилювача отримують сигнал з частотою fN=0+NF, частота зміщення якого пропорційна числу проходів N мікрохвильових коливань через замкнуту хвилевідну структуру, при цьому частину енергії посилених і трансформованих за частотою мікрохвильових коливань подають через другий спрямований відгалужувач на перший вхід змішувача, па другий вхід якого подають частину енергії вихідних мікрохвильових коливань з частотою 0, після чого на виході змішувача отримують набір низькочастотних коливань з частотами F, 2F, …NF, (N+1)F тощо, при цьому за допомогою вузькосмугового фільтра виділяють лише коливання з частотою NF, з виходу вузькосмугового фільтра сигнал з частотою NF підсилюють та подають на перший вхід фазового детектора, на другий вхід фазового детектора подають сигнал низькочастотного опорного генератора з такою ж частотою NF, і, таким чином, на виході фазового детектора отримують сигнал, пропорційний набігу фази мікрохвильового сигналу при його N-кратному проходженні вимірювальної хвилевідної структури, шо містить повітря навколишнього середовища, та за змінами якого контролюють за допомогою індикаторного пристрою зміни інтегрального складу газового середовища. Порівняння заявленого способу вимірювання інтегрального складу газового середовища з вже відомим способом і прототипом показує, що система, побудована за заявлюваним способом, є повністю автономною і переносною, не вимагає використання додаткових приймально-передавальних антен, конструкція такої системи значно спрощується, а використання як вимірювальної траси замкнутої хвилевідної структури дозволяє проводити аналіз газового середовища в рудничній атмосфері локально з високою точністю, без рознесення в просторі складових частин системи. При цьому додатковий корисний набіг фази мікрохвильового сигналу, викликаний наявністю в повітрі вибухонебезпечних домішок, можна отримати шляхом багаторазового проходження електромагнітної хвилі усередині хвилевідної структури. Пройдена електромагнітною хвилею сумарна відстань буде еквівалентна пройденій нею віддалі у просторі, яка у багато разів перевищує довжину хвилевідної структури, що забезпечує високу чутливість даної системи і, як наслідок, високу точність. Чутливість вимірювань системи, побудованої на підставі запропонованого способу контролю інтегрального складу газового середовища, є варійованим параметром. Вона буде прямо пропорційна числу проходів мікрохвильових коливань всередині хвилевідної структури, а так само залежатиме від її загальної довжини. Це дозволяє проводити загальне калібрування щодо певного типу 2 UA 106183 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 контрольованої речовини з відомим значенням її діелектричної проникності, наприклад, горючих, вибухонебезпечних і/або токсичних газів. Відношення загальної приведеної довжини хвилевідної структури до довжини хвилі вихідних мікрохвильових коливань буде визначати чутливість і точність системи. Зазначений спосіб контролю інтегрального складу газового середовища можна реалізувати за допомогою пристрою, схема якого показана на кресленні. Пристрій складається з генератора мікрохвильових коливань 1, дільника потужності 2, першого спрямованого відгалужувача 3, керованого мікрохвильового фазообертача 4, підсилювача мікрохвильових коливань 5, другого спрямованого відгалужувача 6, змішувача 7, вузькосмугового фільтра 8, підсилювача низької частоти 9, фазового детектора 10, генератора низької частоти 11, дільника частоти 12, індикаторного пристрою 13 і хвилевідної структури 14. Вихід генератора мікрохвильових коливань 1 з'єднаний зі входом дільника потужності 2, причому перший вихід дільника потужності 2 з'єднаний з входом першого спрямованого відгалужувана 3, другий вихід дільника потужності 2 з'єднаний з першим входом змішувача 7, а вихід першого спрямованого відгалужувана 3 з'єднаний з вхідною частиною хвилевідної структури 14, з'єднаної із сигнальним входом керованого мікрохвильового фазообертача 4, сигнальний вихід якого з'єднаний з входом підсилювача мікрохвильових коливань 5, вихід якого з'єднаний з вихідною частиною хвилевідної структури 14, яка з'єднана також із входом другого спрямованого відгалужувана 6, вихід якого з'єднаний з другим входом змішувача 7, вихід якого з'єднаний з входом вузькосмугового фільтра 8, вихід якого з'єднаний з входом підсилювача низької частоти 9, вихід якого з'єднаний з першим входом фазового детектора 10, другий вхід якого з'єднаний з виходом генератора низької частоти 11, вихід фазового детектора 10 з'єднаний з входом індикаторного пристрою 13, причому вихід генератора низької частоти 11 з'єднаний також із входом подільника частоти 12, вихід якого з'єднаний з керуючим входом мікрохвильового фазообертача 4. Пристрій, що реалізовує запропонований спосіб контролю змін інтегрального складу газового середовища, працює наступним чином. Спочатку генерують низькочастотні коливання з відомою частотою NF за допомогою генератора низької частоти 11, яку потім ділять на N подільником частоти 12 і отримують низькочастотні опорні коливання з частотою F і початковою фазою θ. Крім цього, спочатку генерують мікрохвильові коливання з частотою 0, амплітудою U0 і початковою фазою φ0 за допомогою генератора мікрохвильових коливань 1, які можна описати відомим рівнянням: u0(t) = U0sin(2π0t + φ0). Потім ці мікрохвильові коливання подають на дільник потужності 2, частина енергії з якого подається на перший спрямований відгалужувач 3, а інша — на перший вхід змішувача 7, причому перший спрямований відгалужувач з'єднаний із замкнутою хвилевідною структурою 14 і частина мікрохвильових коливань безпосередньо попадає в замкнуту хвилевідну структуру 14, збуджуючи в ній електромагнітні коливання. При цьому через ту ж замкнуту хвилевідну структуру пропускають потік повітря з навколишнього середовища, при цьому мікрохвильові коливання з частотою 0 направляють у бік сигнального входу керованого мікрохвильового фазообертача 4, за допомогою якого здійснюють зміщення частоти мікрохвильових коливань на частоту F опорного сигналу: u1(t)=K1U0sin(2π(0+F)t+φ0+θ+kd), де K1 - деякий наведений коефіцієнт загасання електромагнітної хвилі, одержуваний з урахуванням коефіцієнтів передачі першого направленого відгалужувача 3, загасання хвиль у хвилевідній структурі 14 та у фазообертачі 4, k - хвильове число мікрохвильового сигналу, d загальна довжина замкнутої хвилевідної структури 14. Трансформовані за частотою мікрохвильові коливання подають на мікрохвильовий підсилювач 5, за допомогою якого компенсують втрати у хвилевідній структурі 14 та фазообертачі 4, після чого ці мікрохвильові коливання знову пропускають через замкнуту хвилевідну структуру 14, знову подають на сигнальний вхід керованого фазобертача 4, за допомогою якого знову зміщують частоту мікрохвильових коливань на частоту F низькочастотного опорного сигналу, в результаті чого на виході керованого фазообертача 4 отримують мікрохвильові коливання виду: u2(t)=K2K1U0sin(2π(0+2F)t+φ0+2θ+2kd), де К2 - коефіцієнт посилення мікрохвильового підсилювача 5. Після чого процес повторюють багато разів і в черговий, N-ий, раз на виході мікрохвильового підсилювача 5 отримують сигнал виду: uN(t)=KNU0sin(2π(0+NF)t+φ0+Nθ+Nkd), 3 UA 106183 C2 5 10 15 де KN - деякий наведений коефіцієнт передачі всього тракту. Таким чином, на виході мікрохвильового підсилювача 5, в тому числі, отримують сигнал з інформаційною частотою Nи=0+NF, де частота зміщення NF пропорційна числу проходів N мікрохвильових коливань всередині замкнутої хвилевідної структури. При цьому частину енергії посилених і трансформованих за частотою мікрохвильових коливань подають через другий спрямований відгалужувач 6 на другий вхід змішувача 7, на перший вхід якого подають частину енергії вихідних мікрохвильових коливань з частотою 0. У змішувачі 7 здійснюють перемножування цих сигналів, і на виході змішувача отримують набір різних комбінаційних складових з різними кратними частотами F, 2F, …, NF, (N+1)F, і т.д. Вузькосмуговий фільтр 8 налаштовують на частоту зміщення NF і виділяють сигнал з необхідною інформаційною частотою, після чого його підсилюють низькочастотним підсилювачем 9. На виході підсилювача 9 отримують низькочастотний сигнал, що має вигляд: uM(t)=UMsin(2πNFt+Nθ+Nkd), де UM - наведена амплітуда низькочастотного сигналу. Видно, що в даному виразі відсутні параметри мікрохвильових коливань, оскільки вони взаємно віднімаються. Сигнал з інформаційною низькочастотною різницевою складовою подають на перший вхід фазового детектора 10, на другий вхід якого подають опорний низькочастотний сигнал з п е рв іс но ю час т от о ю NF від низькочастотного генератора 11. Різницю фаз інформаційного і опорного сигналів визначають як:   Nkd  20 25 30 35 40 45 50 2N d  в , де λв - довжина хвилі в хвилеводі, ε - відносна діелектрична проникністьповітря з урахуванням домішок. На виході фазового детектора 10 отримують інформаційний сигнал, який подають на вхід індикаторного пристрою 13. На виході індикаторного пристрою 13 спостерігають за змінами відносної діелектричної проникності повітря з урахуванням домішок. Таким чином, за пропонованим методом можна контролювати параметри навколишнього повітряного середовища, зокрема, її сумарну діелектричну проникність, при цьому контроль здійснюють за вимірюваннями різниці фаз опорного та інформаційного (циркулюючого усередині хвилевідної структури) сигналів. Зокрема, можливий контроль за викидами метану у вуглевидобувних шахтах. Систему контролю за викидами газів, побудовану за зазначеним способом, попередньо калібрують в умовах чистого повітря. На виході фазового детектора формують нульовий сигнал помилки. Якщо ж у повітрі буде присутня частина небезпечного для життя людей газу, вугільного пилу, інших вибухонебезпечних і токсичних речовин, діелектрична проникність яких відрізняється від діелектричної проникності чистого повітря, то сумарна діелектрична проникність суміші буде відрізнятися від початкової, і на виході фазового детектора виникне сигнал помилки, який відображається індикаторним пристроєм. Народногосподарський ефект від використання заявленого винаходу пов'язаний зі створенням системи, яка дає можливість аналізувати властивості середовища поширення мікрохвиль за результатами вимірювань змін набігу фази мікрохвильових коливань, що володіє підвищеною точністю визначення змін інтегрального складу газового середовища. Зокрема, є можливим моніторинг концентрації метану. Його виділення з товщі порід при експлуатації вугільних шахт являє собою реальну небезпеку не тільки для шахтарів безпосередньо, а і для людей, що проживають в районах гірничих відводів вугільних шахт. Перевага аналізатора газового складу, побудованого на підставі зазначеного способу, у порівнянні з відомими способами і прототипом, полягає в досягненні вкрай високої (змінної) точності вимірювань. Необхідність у просторових рознесеннях елементів системи при цьому відсутня. Система, побудована на підставі даного методу, являє собою закінчений функціональний блок і, на відміну від недовговічних термохімічних, дорогих оптичних, каталітичних та інших газоаналізаторів, несприйнятлива до пилу і забруднень. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 55 Спосіб контролю змін інтегрального складу газового середовища, за яким генерують безперервні мікрохвильові коливання З відомою частотою 0, мікрохвильові коливання випромінюють в контрольоване повітряне середовище, при цьому мікрохвильові коливання при проходженні вимірювальної повітряної траси відомої довжини набувають набіг фази, який пропорційний довжині вимірювальної траси і діелектричній проникності середовища поширення, 4 UA 106183 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 мікрохвильові коливання приймають і подають на сигнальний вхід керованого мікрохвильового фазообертача, на керуючий вхід якого подають низькочастотний сигнал з частотою F, за допомогою фазообертача здійснюють зміщення частоти мікрохвильового сигналу на частоту F низькочастотного генератора, трансформовані за частотою мікрохвильові коливання з частотою 1=0+F подають на перший вхід змішувача, на другий вхід якого подають вихідні мікрохвильові коливання з частотою 0 і, після гомодинного перетворення сигналів у змішувачі, виділяють низькочастотний сигнал з частотою F=1-0, який подають на перший вхід фазового детектора, на другий вхід фазового детектора подають низькочастотний опорний сигнал з частотою F, таким чином на виході фазового детектора отримують сигнал, пропорційний набігу фази мікрохвильового сигналу при його проходженні вимірювальної траси, по зміні якого контролюють зміни інтегрального складу газового середовища, який відрізняєтьси тим, що спочатку генерують низькочастотні коливання з відомою частотою NF, яку потім ділять на Ν та отримують низькочастотні опорні коливання з частотою F, при цьому як вимірювальну трасу використовують замкнуту кільцеву хвилевідну структуру відомої довжини, всередині якої встановлюють керований мікрохвильовий фазообертач і мікрохвильовий підсилювач, які включені послідовно, при цьому в замкнутій кільцевій хвилевідній структурі через перший спрямований відгалужувач збуджують і направляють в заданому напрямку мікрохвильові коливання з частотою 0, через ту ж замкнуту хвилевідну структуру пропускають потік повітря з навколишнього середовища, мікрохвильові коливання з частотою 0 направляють у бік сигнального входу керованого мікрохвильового фазообертача, за допомогою якого здійснюють зміщення частоти мікрохвильових коливань на частоту F опорного сигналу, після чого трансформовані за частотою мікрохвильові коливання з частотою 1=0+F подають на вхід мікрохвильового підсилювача, за допомогою якого компенсують втрати енергії мікрохвильового сигналу, що мають місце в керованому фазообертачі та у хвилевідній структурі, посилені і трансформовані за частотою мікрохвильові коливання знову пропускають через замкнуту хвилевідну структуру, через яку також пропускають повітря з навколишнього середовища, і які знову подають на сигнальний вхід керованого мікрохвильового фазообертача, за допомогою якого знову зміщують частоту мікрохвильових коливань на частоту F низькочастотного опорного сигналу, в результаті чого на виході керованого фазообертача отримують мікрохвильові коливання з частотою 2=0+2F, причому коефіцієнт посилення мікрохвильового підсилювача підбирають таким чином, щоб генерація сигналів не наступала, після чого процес повторюють кілька разів і в черговий, N-ий, раз на виході мікрохвильового підсилювача отримують сигнал з частотою N=0+NF, частота зміщення якого пропорційна числу проходів N мікрохвильових коливань через замкнуту хвилевідну структуру, при цьому частину енергії посилених і трансформованих за частотою мікрохвильових коливань подають через другий спрямований відгалужувач на перший вхід змішувача, на другий вхід якого подають частину енергії вихідних мікрохвильових коливань з частотою 0, після чого на виході змішувача отримують набір низькочастотних коливань з частотами F, 2F,…, NF, (N + 1)F тощо, при цьому за допомогою вузькосмугового фільтра виділяють лише коливання з частотою N F , з виходу вузькосмугового фільтра сигнал з частотою NF підсилюють та подають на перший вхід фазового детектора, на другий вхід фазового детектора подають сигнал низькочастотного опорного генератора з такою ж частотою NF, і, таким чином, на виході фазового детектора отримують сигнал, пропорційний набігу фази мікрохвильового сигналу при його N-кратному проходженні вимірювальної хвилевідної структури, що містить повітря навколишнього середовища, та за змінами якого контролюють за допомогою індикаторного пристрою зміни інтегрального складу газового середовища. 5 UA 106183 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6