ДИАГНОСТИКА КИПЯЩЕГО СЛОЯ С ПОМОЩЬЮ РЕЗОНАНСНОГО СВЧ-ЗОНДА НА ОТРЕЗКЕ ДВУХПРОВОДНОЙ ЛИНИИ

February 9, 2013 by admin Комментировать »

Костров А. в., Костров В. А., Смирнов Л. И., Стриковский Л. В., Янин Д. В. Институт прикладной физики РАН г. Нижний Новгород, улица Ульянова, д. 46, 603950, Россия Тел.: +7(8312) 164853, e-mail: smimov@appl.sci-nnov.ru

Аннотация – С помощью резонансного СВЧ-зонда на отрезке двухпроводной ЛИНИИ исследована динамика изменения ПЛОТНОСТИ сыпучих сред в газовом потоке. Разработан и изготовлен промышленный высокотемпературный датчик ПЛОТНОСТИ кипящего слоя в реакторе дегидрирования.

I.                                       Введение

Кипящий слой – это сыпучий материал, взвешенный в проходящем через него потоке газа или жидкости. Неоднородность структуры кипящего слоя и, в первую очередь, локальной плотности существенно влияет на технологические процессы, например, на реакции в газе, продуваемого через катализатор.

В настоящей работе изучаются возможности резонансного СВЧ-зонда на отрезке двухпроводной линии применительно к диагностике степени неоднородности (плотности) кипящего слоя и его динамики ВО времени.

II.                               Основная часть

Резонансная измерительная система, схематически изображена на рис.1. Зонд представляет собой СВЧ-резонатор 1 в виде полуволнового отрезка двухпроводной линии, выполненного из провода нержавеющей стали диаметром 2мм, который крепится к металлическому экрану 2 при помощи керамических шайб 3. Возбуждение резонатора и приём его отклика осуществлялись при помощи петель магнитной связи

4  и 5 диаметром 10мм, расположенные в металлическом экране. Зонд взаимодействует с исследуемой средой измерительной частью резонатора 6 длинной 30мм. Собственная частота резонансной системы – 860Мгц, добротность – 150. Наличие вещества с отличной ОТ единицы диэлектрической проницаемостью в области квазистатического поля измерительной части резонатора приводит к смещению резонансной частоты и изменение добротности резонатора. Так как размеры зонда малы по сравнению с объёмом реактора, методика позволяет проводить локальные измерения ПЛОТНОСТИ кипящего слоя.

Отметим, ЧТО аналогичные измерительные системы успешно применяются для диагностики низкотемпературной плазмы [1] и исследования внутренней структуры неоднородных диэлектрических объектов, в ТОМ числе и биологических тканей без нарушения их целостности [2].

Для теоретического описания работы СВЧ-зонда на отрезке двухпроводной линии применительно к диагностике нестационарных процессов, происходящих в кипящем слое, воспользуемся подходом, развитым в [1, 2].

При выполнении условия s4s «I (s – длина измерительной части резонатора, ε – комплексная диэлектрическая проницаемость среды, I – полная длина резонатора) контакт датчика с исследуемой средой эквивалентен появлению на замкнутом конце измерительной части резонатора нагрузки с импедансом Ζχ, малым ПО сравнению с волновым сопротивлением 1/1/двухпроводной линии.

Рис. 1. Схема датчика на отрезке двухпроводной линии.

Fig. 1. Scheme ofthe sensor based on the two-wire line section

1         – СВЧ резонатор: 2 – металлический экран; 3 – керамические шайбы; 4, 5 – приёмная и возбуждающая петли связи; 6 – измерительная часть резонатора.

По аналогии с [2], анализируя систему телеграфных уравнений для тока и напряжения в двухпроводной линии, нетрудно получить уравнение резонансной кривой ίΐΓβείω)-.

где ωο – собственная частота резонатора; Qo – собственная добротность резонатора; Uo – амплитуда напряжения зондирующей волны в возбуждающей линии.

Импеданс Ζχ, характеризует свойства исследуемой среды и, согласно (1), определяет сдвиг резонансной частоты mres-coov\ амплитуду в максимуме max (Ures)’.

Нахождение Ζχ сводится к решению электростатической задачи о погонной ёмкости двухпроводной линии, помещённой в среду с диэлектрической проницаемостью ε и процедуре пересчёта импеданса. Для случая однородной среды Ζχ имеет следующий вид:

Оценки показывают, что импеданс Ζχ прямо пропорционален ПЛОТНОСТИ р кипящего слоя. Наличие случайной нестационарной компоненты плотности среды ήο(/) вызывает изменение резонансной частоты зонда.

Для случая однородного кипящего слоя оптимален выбор рабочей точки на резонансной кривой в области её наибольшей крутизны, при этом SUves (t) оказывается связанной с Sp(t) простой аналитической зависимостью:

где Q – добротность системы в кипящем слое.

Предлагаемая методика позволяет определять параметры возмущений, длительность которых τ больше характерного времени отклика резонансной системы на изменение параметров среды:

Оценки показывают, что датчик может регистрировать относительные колебания плотности кипящего слоя δρ/ρθΊ 1 до значения 10®.

На рис.2 приведена характерная осциллограмма пульсаций плотности кипящего слоя. Она колеблется около значения, соответствующего средней плотности кипящего слоя ~р1 к 0,8 (- плотность порошка).

Анализ осциллограмм для разных скоростей потока газа показал, что частота пульсаций лежит в интервале 2-ЗОгц: отклоненное интегральной по сечению плотности относительно среднего значения не более 50 %.

Рис. 2. Характерная осциллограмма пульсации относительной плотности кипящего слоя в поперечном сечении кварцевого цилиндра.

Fig. 2. Characteristic oscillogram of fluctuations of relative boiling-bed density in the cross section of a quartz cylinder

III.                                   Заключение

в настоящее время разработан и изготовлен промышленный высокотемпературный СВЧ-датчик для диагностики плотности кипящего слоя в реакторе дегидрирования (рабочий диапазон температур 200- 600° в атмосфере изопентана).

IV.                           Список литературы

[1] и. г. Кондратьев, А. В. Костров, А. И. Смирнов,

А. В. Стриковский, А. В. Шашурин // Фтта плазмы, 2002. Т. 28. № 11. С.977-983.

[2] А. В. Костров, А. И. Смирнов, Д. В. Янин, А. В. Стриковский, Г. А. Пантелеева Н Известия РАН. Серия физическая. 2005, том 69, № 12, с. 1716-1720.

DIAGNOSTIC OF THE BOILING BED USING A RESONANCE MICROWAVE PROBE BASED ON THE TWO-WIRE LINE SECTION

A. V. Kostrov, V. A. Kostrov, A. I. Smirnov A. V. Strikovskiy, D. V. Yanin Institute of Applied Physics,

Russian Academy of Sciences 46, Uliyanov Str, Nizhniy Novgorod, 603950, Russia

Abstract- Dynamics of variations of loose-medium density in a gas flow is studied using a resonance microwave probe based on a section of the two-wire line. An industrial high- temperature sensor measuring the boiling-bed density in a dehydrogenation reactor has been developed and manufactured.

I.                                         Introduction

The boiling bed is a loose medium suspended in a flow of a gas or fluid running through it. Inhomogeneity of the structure of the boiling bed and, primarily, of the local density influences significantly the technological processes, e. g. on the reactions in the gas blown through a catalytic agent.

II.                                        Main Part

The scheme of the resonance measuring system is shown in Fig. 1. The sensor probe is made as a microwave resonator

(1) in the form of a half-wave section of a two-wire line made of a stainless-steel wire with 2-mm diameter, which is fixed on a metal screen (2) by means of ceramic spacers (3). The resonator was excited and its response was received using magnetic- coupling loops (4 and 5) 10 mm in diameter, which are located in the metal screen. The probe interacts with the studied medium via the measuring part of the resonator (6) being 30 mm long. The eigenfrequency of the resonance system is 860 MHz, its Q-factor is 150. The presence of a substance, which has the dielectric permeability differing from unity in the region of the quasi-static field of the measuring resonator part, results in a shift of the resonance frequency and a change in the resonator Q-factor. Since the size of the probe is small as compared with the reactor volume, this method allows performing local measurement of the density of the boiling bed.

We will use the method developed in [1, 2] to describe theoretically the operation of the microwave probe based on a section of the two-wire line to be used to diagnose the nonstationary processes running in the boiling bed.

Figure 2 shows a characteristic oscillogram of boiling-bed density fluctuations.

III.                                       Conclusion

The proposed method makes it possible to determine the parameters of the perturbations with their duration r exceeding the characteristic time of the resonance line response to changes in the medium parameters:

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты