CC BY
147
УДК 621.372.413
ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СЕНСОРА ДЛЯ ДАТЧИКА КОНТРОЛЯ ДИАМЕТРА
Любовь Васильевна Шебалкова
ОАО «Научно-исследовательский институт электронных приборов», 630005, Россия, г. Новосибирск, ул. Писарева, 53, ведущий инженер-руководитель группы; Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. Карла Маркса, 20, старший преподаватель кафедры АИУС, тел. (383)216-05-48, e-mail: lvsheb@list.ru
Микроволновые датчики и системы широко используются в нефтеперерабатывающей, химической и металлургической промышленности при работе в агрессивных средах. Среди микроволновых датчиков, работа которых основана на возбуждении конструктивных узлов резонаторов, может встретиться большое разнообразие их форм. К ним можно отнести и проходной резонатор, имеющий два порта, что значительно упрощает получение информации об измеряемом параметре - резонансной частоте в отличие от классических форм резонатора. В данной статье описано моделирование такого резонатора на частотах S диапазона.
Ключевые слова: проходной резонатор, резонатор, датчик диаметра, электродинамическое моделирование.
3D FULL WAVE ELECTROMAGNETIC MODELING OF DIAMETER SENSOR
Lyubov V. Shebalkova
JSC «Scientific research Institute of electronic devices», 630005, Russia, Novosibirsk, 53 Pisarev str., leading engineer-team manager; Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 Prospekt K. Marksa, senior lecturer of AICS Department, tel. (383)216-05-48, e-mail: lvsheb@list.ru
Microwave control systems and sensors are used widely in oil refining, chemical and metallurgical industries. A large variety of resonator shapes is found among microwave sensors. As well there is a reentrant resonator with two waveguide ports that simplify the delivering of measurement information about resonance frequency. The 3D electromagnetic modeling of this resonator is considered in this paper.
Key words: reentrant resonator, resonator, diameter sensor, 3D full wave analysis, electromagnetic modeling.
Проходные резонаторы применяются для контроля различных технологических параметров, например для измерения диаметра диэлектрических частиц в диапазоне от 30 до 100 мкм в химической промышленности, фармакологии [1]. Представленный в данной работе объемный проходной резонатор предназначен для использования в качестве сенсора для датчика контроля диаметра диэлектрических шнуров. Для подтверждения теоретических расчетов [2] была создана трехмерная модель проходного объемного резонатора, представленная на рис. 1. Данная электродинамическая модель представляет собой отрезок волновода нестандартного сечения 720 х 10 мм произвольной длины с индуктивными штырями, длина рабочего участка между центрами индуктивных штырей составляет 140 мм. Индуктивные штыри распложены на продольной
оси симметрии волновода, их диаметр составляет 10 мм, они выполнены в виде металлических цилиндров. После составления геометрической модели важным этапом моделирования является определение граничных условий. При решении внутренних задач электродинамики для волновода или проходного резонатора обычно достаточно задать два порта - направления откуда приходит и куда уходит СВЧ мощность и произвести их калибровку. Остальные граничные условия присваиваются автоматически - стенкам волновода идеальная электрическая граница, штырям идеальный металл. После выполнения вышеописанной процедуры был проведен расчет S- параметров в полосе частот от 2,3 до 2,6 ГГц с шагом 10 МГц. Резонансная частота составила 2,45 ГГц. Как видно из рисунка 1 в резонаторе установился режим колебаний Н10ь так как существует максимум распределения электромагнитного поля в центре резонатора.
На рис. 2 видно разбиение трехмерной структуры на тетраэдры, размер которых зависит от размера элемента конструкции. От размера тетраэдра непосредственно зависит и точность полученных результатов. При расчетах и разбиении структуры на тетраэдры были использованы пять адаптивных итераций, точность расчета Б параметров составила 1,2 %.
Рис. 1. Распределение поля в Рис. 2. Разбиение трехмерной
электродинамической модели структуры резонатора на тетраэдры
проходного резонатора
Следующий шаг - составление трехмерной модели самого сенсора, для этого в вышеописанной модели необходимо добавить технологическое отверстие для проводки диэлектрических цилиндрических образцов. Данное отверстие выполнено в виде воздушного цилиндра диаметром 10 мм, размещаемого на одной оси с индуктивными штырями. Таким образом, отверстие находится в пучности электрического поля, создаваемого проходным резонатором (рис. 3). Расчет производился в той же полосе частот, что и в предыдущей модели.
На рис. 4 представлен график модуля коэффициента отражения проходного резонатора, полученное значение, составляющее -20 дБ, свидетельствует об высоком уровне согласования, коэффициент стоячей волны по напряжению составляет порядка 1,2 отн. ед.
Рис. 3. Электродинамическая модель с технологическим отверстием
Legend — S|(P 1 М 1),(Р 1 М 1)|(sensor_ffs_1)
2 3 2 35 2.4 2 45 2 5 2 55 2 6
Рг^иепсу(СНг)
Рис. 4. Модуль коэффициента отражения
На рис. 5 изображен график модуля коэффициента передачи, резонансная частота составляет 2,45 ГГц, именно на этой частоте коэффициент передачи практически равен 0, что свидетельствует о том, что мощность из порта 1 в порт 2 передается без потерь.
Legend —- S[(P 1 М 1).(P 2 М 1)](sеn so r_ffs_1)
2 25 2.3 2 35 2 4 2 Л5 2 5 2 55 2 6
Frequency (GHz)
Рис. 5. Модуль коэффициента передачи пустого резонатора
Далее переходим к этапу непосредственного моделирования работы сенсора диэлектрическими образцами цилиндрической формы. В качестве материала для образцов выбраны 2 диэлектрика с различными параметрами (диэлектрическая проницаемость 2,2 и 5). Для каждого образца последовательно производился расчет S - параметров для различных радиусов; в табл. 1, 2 приведены значения резонансных частот / и частотного сдвига А/ для каждого образца соответственно.
В качестве примера на рис. 6 представлен график модуля коэффициента передачи для материала, имеющего диэлектрическую проницаемость 2,2 и радиус 0,5 мм, как и предполагалось, резонансная частота смещается влево относительно резонансной частоты ненагруженного проходного резонатора, так как образец проходит через пучность поля параллельно узкой стенке волновода [2]. Такая же картина характерна и для других образцов.
Legend S[(P 1 М 1),(Р 2 М 1)](sensor1 _ffs_1)
\
ч
у /
Frequency (GHz)
Рис. 6. Модуль коэффициента передачи (г=0.5мм; 1=2.4377ГГц; s=2.2)
Таблица 1
Значение резонансных частот при различных диаметрах диэлектрического _шнура (s = 5, ig 5 = 0.0015)_
r, мм f ГГц f ГГц
0.5 2.4365 0.0135
1 2.4308 0.0192
1.5 2.4202 0.0298
2 2.4089 0.0411
2.5 2.3918 0.0582
3 2.3711 0.0789
Таблица 2
Значение резонансных частот при различных диаметрах диэлектрического
шну
pa (s = 2,2, tgS = 0.001)
г, мм f ГГц f ГГц
0.5 2.4377 0.0123
1 2.4359 0.0141
1.5 2.4332 0.0168
2 2.4296 0.0204
2.5 2.4245 0.0255
3 2.4188 0.0312
На рис. 7 изображены графики зависимости изменения резонансной частоты А/ нагруженного резонатора относительно пустого резонатора от радиуса образца для различных диэлектрических материалов. Частотный сдвиг зависит и от радиуса, и от свойств материала, следовательно, данный проходной резо-
натор можно применять в качестве датчика при контроле диаметра и для контроля сплошности (отсутствия воздушного заполнения) диэлектрических шнуров.
41 ГГц
0.06 0.04 0.02
° 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
Г, ММ
Рис. 7. Графики зависимости Л/=./рез.нагр. - Лез. от радиуса образца (г)
для каждого значения е
Как видно из рис. 7 изменение резонансной частоты прямопропорциональ-но увеличению диаметра образца и его диэлектрической проницаемости.
Полученные результаты свидетельствуют о возможности использования данных датчиков для контроля изменения диаметра и появления воздушных полостей при автоматизированном производстве детонационных шнуров, изготавливаемых методом экструзии.
Заключение
В статье рассмотрены основные моменты составления электродинамической модели проходных резонаторов, относящихся к микроволновым сенсорам, на частотах S диапазона; подтверждена теоретическая зависимость изменения резонансной частоты системы при помещении тестируемого образца в пучность электромагнитного поля, возбуждаемого в данном случае колебанием типа H101. Датчик имеет высокую чувствительность к изменению контролируемого параметра, к тому же простую конструкцию. Полученные результаты свидетельствуют о возможности использования данных датчиков для контроля изменения диаметра и появления воздушных полостей при автоматизированном производстве детонационных шнуров, изготавливаемых методом экструзии на взрывоопасных производствах.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Викторов В.А., Лункин В.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов [Текст].- М.: Энергоатомиздат, 1989.-208 с.
2. Reentrant Resonators for Microwave Measurement Units, V. B. Romodin, L. V. Shebalkova, 2002 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Proceeding, p.p. 1365-1368, vol.2, Seattle, 2002.
© Л. В. Шебалкова, 2015
