CC BY
74
УДК 532.4,621.372.413
СВЧ-НАГРЕВ ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ ВО ВРАЩАЮЩИХСЯ ПЕРЕПЛЕТЕННЫХ ТРУБОПРОВОДАХ С ЦЕЛЬЮ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ
А.Л. Шаталов, М.А. Суслин
Приведены экспериментальные результаты СВЧ-нагрева жидких углеводородов во вращающихся переплетенных трубопроводах с целью измерения влажности. Произведено моделирование электромагнитного поля методом конечных элементов
Ключевые слова: СВЧ-нагрев, влага, электромагнитное поле, контрольный образец
Измерение содержания воды в различных веществах имеет большое прикладное значение. Органические соединения (к ним относятся бензин, керосин, в том числе и авиационный, машинное, трансформаторное масло и т.д.) в процессе их эксплуатации в различных устройствах и механизмах имеют свойство накапливать воду, теряя при этом свои эксплуатационные характеристики.
При превышении содержания воды в трансформаторном масле выше 50 г/т может возникнуть пробой, что приведет к выходу трансформатора из строя [1]. Наличие влаги в авиационном керосине, в том числе и за счет наличия жидкости «И» (моно-этиловый эфир этиленгликоля), содержащей растворенную влагу, является одним из определяющих факторов, который влияет на безопасность полетов авиации.
Освоение диапазона СВЧ открывает новые возможности для контроля влажности в связи со спецификой СВЧ.
В резонаторном методе [1] выходными величинами первичного измерительного преобразования (ПИП) служат вызванные введением исследуемого материала изменения параметров объемного резонатора (ОР): резонансной частоты А/ = / -/0 и добротности АQ = Q - Q0 /0 и Q0 - значения собственных (ненагруженных) параметров резонатора). За счет локализации поля в полости резонатора метод обладает высокой чувствительностью, а также создается возможность измерения влагосодержания образцов малой массы.
Недостатками приведенного метода являются:
- наличие образца определённой формы и размера, образец помещается в строго определенное место ОР или волновода, так как структура одномодового поля строго определена и неравномерна в пространственной полости ОР (волновода);
- сложная аппаратная реализация (наличие вентилей, циркуляторов, детектора амплитудного или фазового, смесителя, измерителя добротности, частотомера, управляемого по частоте генератора СВЧ);
Шаталов Александр Леонидович - МГУИЭ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8-916-806-28-86 Суслин Михаил Алексеевич - ВАИУ, канд. техн. наук, доцент, тел. 8-(4732)-22-89-81; 8-910-857-01-05
- необходимость отстройки от изменения геометрических размеров ОР или волновода, вызванных изменением температуры окружающей среды (что особенно важно в полевых условиях);
- возможность перепутывания основного типа электромагнитного колебания с другими (вырожденными) в ОР, что вызывает дополнительную погрешность, а применение поляризационных фильтров колебаний снижает добротность основного типа колебания и усложняет конструкцию ПИП.
В [2] предложен новый СВЧ метод определения влажности органических соединений, основанный на контрастном поглощении энергии электромагнитного (ЭМ) поля водой и жидким диэлектриком. Исследуемый образец подвергается СВЧ нагреву в специальном объеме (зоне взаимодействия)
- мультимодовом объемном резонаторе. Характерные размеры этой полости выбираются много больше длины волны X питающего генератора СВЧ. Это обеспечивает возможность реализации в ненагру-женном состоянии множества колебаний разной пространственной структуры вырожденных и невырожденных так, что практически распределение поля (напряженности Е) более или менее равномерно в замкнутой металлической полости. Однако, на результат измерений существенное влияние оказывает неравномерность электромагнитного поля, а также вариация во времени мощности генератора. Например, на рис. 1 показана суммарная по всем осям напряженность электрической составляющей поля на частоте 2,45 ГГ ц. Моделирование проводилось методом конечных элементов в системе А№У8 (желтый цвет - минимальная интенсивность, сиреневый - максимальная, разница примерно в 15 раз). Наблюдается довольно сильная неоднородность поля, при этом поле сильно зависит от частоты генератора, места и формы кюветы.
Измерения влагосодержания по абсолютному изменению температуры образца при СВЧ нагреве имеют существенную инструментальную погрешность, вызванную неравномерностью электромагнитного поля. Так в эксперименте с нагревом двух образцов воды без вращения в 12 мл. кюветах наблюдается систематическая погрешность, случайная составляющая погрешности составляет 7-8 %, наблюдаются “выпадные” точки, где разброс может достигать 10-15 %.
I---—■
v.iua <m.im мл« иилм ИМИ
М.Ml Ht.OI« f«.«« ru.nn
m»i ы »cti__________________________________________
Рис. 1. Напряженность электрической составляющей поля на частоте 2,45 ГГц
Для устранения вышеназванного недостатка предлагается ввести дополнительный контрольный образец. В качестве контрольного образца можно использовать, например, воду, этиленгликоль, этиловый спирт с известными электрофизическими свойствами. Абсолютный прирост температуры при СВЧ нагреве контрольного образца дает поправку на изменение мощности генератора, компенсируя тем самым нестабильность мощности.
Исследуемый и контрольный образец в виде переплетенных трубопроводов приводят во вращение со скоростью не менее 3 об/сек. Это обеспечивает значительное уменьшение влияния неравномерности поля - в максимумах и минимумах поля исследуемый и контрольный образцы находятся практически одинаковое время в интервале СВЧ нагрева (время взаимодействия Твзаимод ).
При фиксированной выходной мощности питающего генератора СВЧ Рвых = const и времени
взаимодействия Твзаимод жидких образцов с полем
многих мод в замкнутом объеме Твзаимод = const
измеряется температура образцов перед помещением в замкнутый объем t1 0С, а затем температуры
образцов ti„a2p и t2Hагр0С после Твзаимод . По разности температур At = At2 - At1, где At1 = t1 - tlH ,
At2 = t1 — t2HCIi,p , судят об объемной доле влаги.
Контрольная жидкость с большими значениями действительной и мнимой диэлектрическими проницаемостями концентрирует электромагнитное поле. Это дает возможность уменьшить мощность СВЧ генератора, что повышает стабильность мощности.
На рис. 2 показана суммарная по всем осям напряженность электрической составляющей поля на частоте 2,45 ГГц в резонаторе СВЧ печи (в центре цилиндр с керосином, в углах - цилиндры с водой.) Показана половина резонатора по высоте, для наглядности. Диаметр цилиндров с водой - 20 мм, вы-
Рис. 2. Напряженность электрической составляющей поля на частоте 2,45 ГГц - цилиндры с водой в углах, цилиндры с керосином в центре
сота - 79 мм. Относительная действительная диэлектрическая проницаемость воды - 70, относительная мнимая диэлектрическая проницаемость -20,3. В центре находится цилиндр с керосином: -диаметр 36 мм, высота - 79 мм, относительная диэлектрическая проницаемость - 2,2, частота 2,45 ГГц. Как видно из рис. 2, среда с большими значениями мнимой диэлектрической проницаемости и потерями концентрирует электромагнитное поле.
Структурная схема устройства показана на рис. 3.
Устройство состоит из замкнутой металлической полости 1, трубопровода с исследуемым жидким углеводородом 2, и трубопровода 3 с контрольным образцом жидкости с действительной и мнимой диэлектрическими проницаемостями много большими, чем у исследуемого жидкого углеводорода, возбуждающих щелей 4 (в примере их три), устройства приведения трубопроводов во вращение 5, генератора СВЧ 6 (например, магнетрон), делителя мощности 7, устройств измерения температур 8 и 9.
Рис. 3. Структурная схема устройства с переплетенными и вращающимися трубопроводами
Постоянная ^ измерительной ячейки определяется следующим образом. В первый трубопровод помещается жидкий углеводород с известным относительным объемным влагосодержанием V = У0 , во второй - контрольная жидкость. Исследуемая и контрольная жидкости подвергаются СВЧ нагреву в переплетенных трубопроводах, измеряются Д1э -температура нагрева углеводорода с относительной объемной влажностью V0 и Дt2э - температура нагрева контрольной жидкости. Постоянная ячейки равна:
Дt2
# = Vo
2 э
At
1 э
При СВЧ нагреве жидкого углеводорода с неизвестной влажностью и контрольного образца относительное объемное влагосодержание
V = V
At1 At
2э
At2 At
1э
где Д!1, температура нагрева жидкого углеводорода с неизвестной относительной объемной влажностью V; Дг2 - температура нагрева контрольного образца совместно с жидким углеводородом с неизвестной относительной объемной влажностью V.
Содержание влаги в жидких углеводородах и топливах (например, в авиационных керосинах) не превышает нескольких сотых долей процента, поэтому если контрольная жидкость имеет действительную и мнимую диэлектрические проницаемости
много большие чем у исследуемого жидкого углеводорода, то изменение влагосодержания исследуемого жидкого углеводорода не влияет на интегральные действительную и мнимую диэлектрические проницаемости всей ячейки в виде переплетенных трубопроводов, ^ = const.
Эффективность предлагаемого способа иллюстрируется СВЧ нагревом идентичных проб с водой во вращающихся кюветах с переплетенными трубопроводами. Опыт показывает, что чем больше действительная и мнимая диэлектрическая проницаемость сред, тем погрешность от неравномерности поля больше.
Размер измерительной камеры составляет 32 х 32 х 19 см, мощность магнетрона - 0,8кВт, кювета выполнена в виде двух переплетенных трубопроводов объемами 40 мл, внутренний диаметр трубопроводов равен 5 мм (меньше глубины проникновения ЭМ волны в воду), кюветы вращаются в измерительной камере со скоростью 240 об/мин, кюветы и устройство дозирования термостатированы. Дискретность отсчета электронного термометра составляла 0,1 0С. В электронном термометре использовался сдвоенный параметрический датчик, состоящий из микросхемы термодатчика K1019EM1 (К1019ЧТ1) и кремневого диода, которые в датчике располагаются рядом. Это позволяет снизить ошибку до 0,1 0С на 100 0С, причем не влияя на показания при 0 0С. Измерялись температура до tHm и после СВЧ нагрева tmH образцов в течение 1 минуты. Результаты измерений приведены в таблице.
Номер опыта
1 2 3 4 5
tHan tKOH A t tHan tKOH A t tHan tKOH A t tHan tKOH A t tHan tKOH A t
1 кювета 13,2 50,4 37,2 13,4 51,3 37,9 13,1 50,7 37,6 13,2 48,3 35,1 13,6 49,2 35,6
2 кювета 13,2 51,2 38,0 13,4 52,2 38,8 13,1 49,9 36,8 13,2 50,1 36,9 13,6 49,8 36,2
Продолжение таблицы
6 7 8 9 10
tHan tKOH A t tHan tKOH A t tHan tKOH A t tHan tKOH A t tHan tKOH A t
1 кювета 11,4 48,8 37,4 11,7 50,1 38,4 11,8 49,3 37,5 11,3 52,4 41,1 11,4 53,2 41,8
2 кювета 11,4 48,1 36,7 11,7 52,3 40,6 11,8 47,1 35,3 11,3 50,9 39,6 11,4 54,2 42,8
Систематическая погрешность, свойственная для нагрева двух образцов воды без вращения, отсутствует. Случайная составляющая уменьшилась с 7-8 % для образцов без переплетения до 3,2 % для образцов в виде переплетенных трубопроводов. Переплетение трубопроводов и вращение их со скоростью ~ 240 об/мин устраняет “выпадные” точки, где разброс может достигать 10-15 % (случай без переплетения трубопроводов). Уменьшить случайную погрешность можно путем увеличения скорости вращения трубопроводов и улучшением термо-статирования при дозировке и измерении.
Для этиленгликоля с 5 % содержанием растворенной влаги случайная погрешность составила 2,3 %. Для керосина марки ТС1 - менее 1 %.
Примером практического применения может служить СВЧ-нагрев авиационного керосина марки РТ с жидкостью «И». На графике, рис. 4 представлены зависимости разности абсолютных температур нагрева авиационного керосина марки РТ с жидкостью «И». В зависимости от температуры окружающей среды в авиационный керосин добавляется
0,1 - 0,3 % жидкости «И», которая связывает растворённую влагу, не давая ей образовывать мелкие
$ 1 (1мин)
{*} 96 wflKOcr**
•и»(1сорт)
0 0.1 0.2 03 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 05
Рис. 4. Разность абсолютных температур нагрева авиационного керосина марки РТ без и с жидкостью «И»
капли (эмульсию). Кривая 1 соответствует нагреву в течение 1 мин, и непрерывной мощности магнетрона РМ = 800 Вт; кривая 2 - нагреву в течение 2 мин и РМ = 800 Вт. Начальная температура нагрева в эксперименте в зависимости от опыта находилась в пределах 1нач = 17,4 - 17,8 °С.
Абсолютную инструментальную погрешность (за счет погрешности 2-х электронных термометров
и неравномерности поля) можно оценить, как ± 0,1 °С.
Таким образом, в предлагаемом способе реализуется дифференциальный метод измерения с поправкой на изменение мощности генератора СВЧ. Переплетенных трубопроводов, например, с водой и исследуемым топливом, их совместное вращение со скоростью не менее 3 об/сек., не только улучшает равномерность поля, но и повышает чувствительность измерений (это дает возможность уменьшить мощность СВЧ генератора, что повышает стабильность мощности), что в совокупности повышает точность определения влагосодержания жидких углеводородов и топлив.
Литература
1. Берлинер М. А. Измерение влажности в диапазоне СВЧ. М.: Энергия, 1973.
2. Патент РФ № 2358261 , МКИ3 в 01 N 22/04. СВЧ-способ определения влажности органических веществ / Суслин М. А. (РФ) - №2007144998/09; за-явл. 03.12.07; опубл. 10.06.2009 г., Бюл. №16.
Московский государственный университет инженерной экологии Военный авиационный инженерный университет (г. Воронеж)
MICROWAVE HEATING OF LIQUID HYDROCARBONS IN THE ROTATING THREADED
PIPES FOR HUMIDITY MEASURING
A.L. Shatalov, M.A. Suslin
The experimental results concerning microwave heating of liquid hydrocarbons in a rotating threaded pipe for humidity measuring are presented. Modeling of electromagnetic field is made by finite element method
Key words: microwave heating, humidity, electromagnetic field, check sample
