Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор и классификация методов и средств определения обводненности авиационного топлива ... 10
1.1 Обзор авиационных происшествий, связанных с отказом дви-гателей воздушных судов, наличием воды в авиационных топливах... 10
1.2 Обзор методов измерения обводненности авиационного топлива
1.2.1 Обзор лабораторных методов определения обводненности авиационного топлива 25
1.2.2 Обзор полевых методов определения обводненности авиа-ционного топлива с процедурой контроля 29
1.3 Выводы и постановка задачи на исследование 35
ГЛАВА 2. Теоретические и экспериментальные предпосылки разрабатываемого метода 37
2.1 Электростатическая аналогия разрабатываемого метода 37
2.2 Выбор пространственной моды для исследований 38
2.3 Описание экспериментального датчика на основе цилиндри-ческого объемного резонатора (ЦОР)
2.3.1 Разработка конструкции 40
2.3.2 Анализ внешней добротности экспериментального резона тора на ввод и вывод энергии 43
2.4 Описание экспериментальной установки с микроампермет ром и методики эксперимента 48
2.5 Описание экспериментальной установки с визуализацией АЧХ
на экране осциллографа и методики эксперимента 51
2.6 Описание экспериментальной установки с использованием скалярного измерителя цепей Р2М-18 57
2.7 Разработка модели парциальной добротности цилиндрическо го объемного резонатора с эмульсионной влагой 59
2.8 Разработка модели парциальной добротности цилиндрическо го объемного резонатора с растворенной влагой 71
2.9 Исследование СВЧ потерь в авиационных керосинах 74
Выводы по главе 2 76
ГЛАВА 3. Разработка метода определения свобод ной влаги в авиационных топливах и его анализ 79
3.1 Теоретические предпосылки и суть метода контроля свобод ной влаги 79
3.2 Разработка моделей информативных параметров предлагае мого метода 80
3.3 Экспериментальное подтверждение моделей парциальных добротностей 84
3.4 Экспериментальное подтверждение структуры поля колебания Н011 и граничных условий с помощью капилляра 90
3.5 Метрологический анализ разработанного метода 94
Выводы по 3 главе 101
ГЛАВА 4. Разработка модифицированного метода контроля свободной влаги с применением диэлек трического концентратора
4.1 Моделирование электрического поля пространственного ко лебания Н011 ЦОР возмущенного диэлектрическим концентратором в системе COMSOL Multiphysics 103
4.2 Экспериментальная проверка метода контроля свободной влаги с концентрирующим диэлектриком 107
4.3 Экспериментальное определение добротности ЦОР в зависимости от размера капель влаги на твердой поверхности 109
4.4 Разработка конструкции измерительного устройства и устройства отбора пробы 110
4.5 Анализ пространственных колебаний, связанных с основным условиями возбуждения 118
Выводы по 4 главе 122
Заключение 124
Список сокращений и условных обозначений 126
Список литературы
- Обзор лабораторных методов определения обводненности авиационного топлива
- Описание экспериментального датчика на основе цилиндри-ческого объемного резонатора (ЦОР)
- Экспериментальное подтверждение моделей парциальных добротностей
- Экспериментальная проверка метода контроля свободной влаги с концентрирующим диэлектриком
Введение к работе
Актуальность. Важным мероприятием по обеспечению безопасности полетов воздушных судов (ВС) является контроль качества заправляемого авиатоплива, в том числе обводненности керосинов. Содержание в топливе свободной воды в количестве 0,002 % уже опасно, это приводит к забивке фильтров – нарушается подача топлива; к снижению смазывающей способности топлива, вызывая сухое трение и приводящее к задирам и преждевременному износу силовой установки ВС; к повышению коррозионной активности органических кислот, усилению химической и электрохимической коррозии.
Существующий субъективный визуальный контроль в виде осмотра проб топлива в проходящем свете из баков воздушного судна перед вылетом нельзя признать достаточно надежным, так как существует вероятность ошибки инженерно-технического состава при определении механических примесей, воды или кристаллов льда в топливе, например, из-за слабого зрения, физического утомления, спешки, невнимательности.
Реализация первичного измерительного преобразователя (ПИП) в диапазоне СВЧ открывает широкие возможности высокочувствительного определения обводненности топлив. СВЧ-методы на «прохождение» и «отражение» в свободном пространстве обладают значительной погрешностью, вызванной множеством факторов: изменение положения приемно-передающих антенн и исследуемого образца, влияние толщины и формы объекта, наличие помех, влияние которых особенно заметно в области малых исследуемых объемов. В волноводных измерителях существуют принципиальные технологические трудности размещения капель воды в первичном измерительном преобразователе – возмущающий объем представляет собой тонкий цилиндр, сложная аппаратная реализация. По причине СВЧ потерь в растворенной влаге и в самом углеводороде нижний предел метода на «прохождение в волноводе» ограничен 0,01 %.
Применение в качестве первичного измерительного преобразователя высокодобротной СВЧ резонансной системы, например, в виде цилиндрического объемного резонатора (ЦОР), позволяет на порядок повысить чувствительность. Существующие резонаторные измерители являются приборами лабораторного типа. Не решены полностью вопросы надежной фильтрации паразитных колебаний с сохранением высокой добротности основного колебания. Метод, основанный на контроле СВЧ потерь влаги на торцевой стенке резонатора с колебанием Н011 , обладает недостаточной чувствительностью. Исследования СВЧ потерь от формы капель воды, применительно к контролю обводненности топлив, не проводились.
В области микроволновой влагометрии известны работы М.А. Берлинера, В.К. Бензаря. Большой вклад в исследование измерительных микроволновых резонансных систем внесли В.А. Викторов, Б.В. Лункин, Д.А. Дмитриев, В.Н. Чернышов и другие ученые.
Из вышесказанного следует актуальность решения задачи разработки микроволнового резонаторного метода контроля свободной влаги в статических условиях (не в потоке).
Объект исследования. Метод контроля свободной влаги авиационных топлив в статических условиях при производстве полетов.
Цель работы. Разработка высокочувствительного метода контроля свободной влаги авиационных топлив в статических условиях, направленного на повышение безопасности полетов воздушных судов.
Задачи работы. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.
Провести обзор авиационных происшествий, а также методов контроля обводненности авиационных топлив. Теоретически и экспериментально обосновать гипотезу о влиянии трансформационных изменений формы капель влаги на диэлектрические потери. Спроектировать и изготовить экспериментальную установку с ПИП в виде ЦОР для экспериментальной проверки выдвинутой гипотезы. Разработать метод контроля свободной влаги в авиационных топливах, основанный на трансформации формы капель влаги на твердой поверхности внутри ЦОР. Предложить модифицированный метод контроля свободной влаги, предусматривающий применение диэлектрического концентратора поля. Разработать устройство, реализующее метод. Оценить метрологическую эффективность разработанного метода.
Диссертационная работа выполнена на основании федеральной государственной целевой программы «Обеспечение безопасности полетов воздушных судов государственной авиации РФ в 2011-2015 гг.» в рамках НИР, заданной МО РФ, «Стойкость-21»головной исполнитель 25 ГосНИИ Химмотологии.
Методы исследований базируются на применении теории макроскопической электродинамики, компьютерного моделирования, теории измерений и метрологии.
Научная новизна.
-
Разработан микроволновый резонаторный метод контроля свободной влаги в авиационных топливах, предусматривающий: а) фильтрацию специальным устройством свободной влаги (из исследуемого объема авиационного керосина) и помещение ее на пластину-основание, при этом толщину и диэлектрическую проницаемость этой пластины выбирают такой, чтобы изменение ее положения по высоте относительно нижней торцевой стенки цилиндрического объемного резонатора не влияло на структуру поля колебания Н011; б) трансформацию капель влаги в тонкий слой таким образом, чтобы силовая линия электрического поля была касательной к поверхности прижатых капель; в) определение свободной влаги по величине измеренной нагруженной добротности.
-
Предложен модифицированный метод контроля свободной влаги, предусматривающий применение диэлектрического цилиндрического концентратора, помещенного на торцевую стенку ЦОР, регулировку диапазона измерения путем изменения высоты или диэлектрической проницаемости концентратора, использование съемной части концентратора в устройстве отбора свободной влаги из авиационного топлива.
Практическое значение работы и реализация.
Спроектированы и построены две экспериментальные установки:
– с визуализацией АЧХ на экране осциллографа;
– с применением скалярного измерителя параметров цепей Р2М-18.
Предложена конструкция и изготовлен измерительный цилиндрический объемный резонатор. В конструкции приняты меры по надежной фильтрации основного колебания Н011 с сохранением его высокой добротности. Даны рекомендации выбора фильтрующих материалов для разработанного устройства сбора влаги из пробы топлива.
Обоснован диапазон контроля от 0,5 до 30 мкл абсолютного объема влаги в авиационном топливе с погрешностью не хуже 25 %.
СВЧ установка по определению свободной влаги в авиационных керосинах прошла испытание в в/ч 62632, г. Липецк.
Результаты диссертационных исследований могут найти применение и в других отраслях промышленности. В частности, микроволновое резонаторное устройство лабораторного типа для определения влажности сыпучих и жидких материалов испытано и внедрено в ПАО «Пигмент», г. Тамбов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены также в учебный процесс ВУНЦ ВВС «ВВА», г. Воронеж.
Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований были доложены на XII Международной НТК «Кибернетика и высокие технологии» – Воронеж: «Концерн «Созвездие», 2011; Межвузовской научно-практической конференции «Молодежные чтения памяти Ю.А. Гагарина» – Воронеж: ВУНЦ ВВС «ВВА», 2011 и III Всероссийской научно-практической конференции «Академические Жуковские чтения» – Воронеж: ВУНЦ ВВС «ВВА», 2015.
Результаты в 2009 году отмечены дипломом с медалью на выставке «Диверсификация-2009, в 2010 году - серебряной медалью на выставке «Архимед-2010», в 2013 году - дипломом Роспатента на выставке «Архимед-2013».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, из которых 4 опубликованы в изданиях, соответствующих перечню ВАК РФ, 3 патента РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Основная часть диссертации изложена на 134 страницах и включает 62 рисунка, 12 таблиц, 70 наименований литературы.
Обзор лабораторных методов определения обводненности авиационного топлива
Шестого декабря 1997 г. в аэропорту г. Иркутска потерпел катастрофу самолет АН-124, рейс 82005, борт ВВС 556 военно-транспортного авиационного полка. На борту перевозились 2 истребителя СУ-27 для индонезийских ВВС. Сразу после взлета отказали три двигателя по причине наличия воды в топливе. Самолет упал на жилые дома, погибло 23 человека находившихся на борту и 45 на земле. Как показало расследование, инженерно-технический состав заправил некондиционное топливо. Перед вылетом проверка отстоя топлива проводилась формально [3].
Таким образом, определение наличия воды в авиационных топливах является актуальным, с точки зрения безопасности полетов авиации.
Вода присутствует в топливе в трех состояниях: в виде эмульсии, осажденной и растворенной влаги. Совокупность эмульсионной и осажденной влаги называют свободной влагой. Наличие в авиатопливах свободной влаги недопустимо. Так, при заправке воздушного судна перед полетом согласно Приложений № 1 и № 2 к указанию МГА от 11.11 1979 г. № 247/У «О порядке слива и проверке отстоя топлива», а также «Инструкции по организации, обеспечению и выполнению подконтрольных полетов воздушных судов авиации Вооруженных Сил Российской Федерации», введенной в действие Приказом МО РФ № 96 от 12.03.1997 г., авиационный техник производит отбор объединенной контрольной пробы горючего в количестве не менее 1,5 л из каждого расходного бака (группы расходных баков). Пробы, отбираемые из топливных баков воздушного судна, опечатываются печатью авиационного техника и хранятся в инженерно-авиационной службе до очередной дозаправки или до окончания полета. Отбор контрольной пробы топлива является одной из важных мер обеспечения безопасности полетов воздушных судов и производится с целью обнаружения воды в топливной системе. Растворенная вода всегда присутствует в топливе. Основная опасность наличия воды в топливе – это образование кристаллов льда, которое может привести к забивке топливных фильтров, предохранительных сеток подкачивающих насосов и датчиков расходомеров. Кристаллы льда могут образовываться в топливах при отрицательных температурах окружающего воздуха в результате замерзания присутствующей в топливе эмульсионной влаги, либо влаги конденсирующейся из воздуха на поверхности топлива. Чем выше температура наружного воздуха и его влажность, тем большее количество влаги растворяется в топливе. При понижении температуры топлива в полете растворенная влага частично переходит в состояние эмульсии и может кристаллизоваться. Кристаллы льда могут также попадать в топливо извне в виде инея, осыпающегося со стенок резервуаров и баков самолета. При подаче топлива по топливной системе самолета кристаллы льда задерживаются на топливном фильтре и, накапливаясь, вначале частично, а затем полностью, забивают его, и подача топлива в камеру сгорания нарушается или прекращается. Забивка фильтров кристаллами льда зависит от содержания воды в топливе и размера пор фильтров топливной системы. Размеры пор фильтров топливной системы колеблются от 12 до 16 мкм [4].
В зависимости от температуры авиационного топлива массовая доля воды в топливах, заправляемых в баки воздушного судна, может составлять около 0,01 %. В полете вследствие понижения температуры и давления растворимость воды в топливе резко падает. Температура топлив, предназначенных для сверхзвуковых самолетов, в полете повышается, и только при их заправке, а также при взлете и наборе высоты она равна температуре окружающей среды. При нулевой температуре в растворенном состоянии может находиться не более 0,001 %. При охлаждении топлива от 20 до 0 С из каждой тонны топлива выделяется около 60 г воды. Так, объем выделившейся воды за один полет на самолете Ил-96 может составлять до 6 л, АН-124 – до 13 л, а на самолете Ан-12 – до 2 л, что вполне достаточно для закупорки сеток топливных фильтров [4]. Массовая доля воды, при которой фильтры забиваются кристаллами льда, составляет около 0,0020 %. Качество топлива во многом определяет рациональное его использование, а также надежность авиационной техники. При хранении, транспортиро 16 вании, перекачке и заправке воздушных судов в результате физических и химических процессов происходит изменение качества авиационных топлив. В настоящее время на военных аэродромах и в аэропортах РФ используется способ «визуального» определения наличия воды в топливе. Он основан на осмотре проб, взятых из каждого топливного бака воздушного судна на предмет наличия кристаллов льда, осажденных капель воды и механических примесей.
При таком «визуальном» методе существует вероятность ошибки инженерно-технического состава при определении механических примесей, воды или кристаллов льда в топливе, например, из-за слабого зрения, физического утомления, спешки, невнимательности. Поэтому, возникает необходимость в разработке более точных, с метрологической точки зрения, способов и устройств определения обводненности авиационных топлив в условиях аэродрома.
Описание экспериментального датчика на основе цилиндри-ческого объемного резонатора (ЦОР)
При решении задач электростатики [24] показано, что в объеме диэлектрического шарика электрическое поле деформируется из-за граничных условий. Напряженность электрического поля внутри шарика Еш связана с невозмущенной напряженностью электрического поля вне шарика Е9 следующим выражением Еш=ЕФ = ахЕф , (2.1) 4o+2so где 0 - относительная диэлектрическая проницаемость окружающего каплю воздуха; єн 0 - относительная диэлектрическая проницаемость воды (« 81). Таким образом, поле внутри шара значительно меньше первичного поля Е9. Поле внутри сформированного эллипсоида вращения имеет вид [24] Ек=Е. (2.2) еН2оиэ+П-иэ о где пэ - коэффициент деполяризации, учитывающий форму эллипсоида. Для шара щ = 0,33; для эллипсоида вращения с отношением осей 100 щ = 0,0004 [24].
С ростом указанного отношения коэффициент деполяризации щ уменьшается, поле внутри эллипсоида растет и приближается к значению поля вне эллипсоида. Таким образом, поле внутри меньше первичного поля и зависит от формы эллипсоида. Поэтому была выдвинута гипотеза микроволнового высокочувствительного метода за счет трансформации капель влаги на твердой поверхности внутри объемного резонатора.
С целью понимания количественных трансформационных преобразований в диапазоне СВЧ необходимо получить поле внутри капли через поле вне ее. Для этого необходимо исследовать СВЧ потери в эмульсионной и растворенной влаге, и непосредственно в авиационном керосине
Для экспериментального подтверждения выдвинутой гипотезы необходимо разработать экспериментальную лабораторную установку и провести электродинамический анализ пространственной структуры поля при различных возмущениях. В качестве датчика в лабораторной установке предлагается использовать цилиндрический объемный резонатор (ЦОР), в который помещаются исследуемые образцы.
ЦОР относится к СВЧ-резонаторным системам с интегральными характеристиками чувствительными к изменению электрофизических параметров исследуемых сред. Данный резонатор представляет собой металлический цилиндр определенной высоты и диаметра.
В зависимости от частоты сигнала генератора в ЦОР возбуждаются электромагнитные колебания различной пространственной структуры.
В качестве основного колебания предлагается использовать осесиммет-ричную пространственную моду Н011, которая обладает наибольшей добротностью, возбуждаемой в резонаторе. При этом «H» означает, что магнитное поле имеет составляющую вдоль оси ЦОР. Индекс «0» показывает, что напряженность электрического поля не имеет максимумов по азимуту, второй индекс «1» – электрическое поле имеет один максимум по радиусу, третий индекс «1» – электрическое поле имеет один максимум по длине резонатора.
Для всех типов колебаний, возбуждаемых в цилиндрическом объёмном резонаторе, колебание Н011 обладает самой большой добротностью [49]. На рисунке 2.1 показана невозмущённая структура поля в цилиндрическом объемном резонаторе. Структура электрического поля колебания Н011 такова, что на торцевых стенках ЦОР возбуждается кольцевой ток. Плотность этого тока минимальна в центре и у боковых стенок. По боковым стенкам резонатора также протекает кольцевой ток, плотность которого максимальна в среднем сечении резонатора.
Составляющие векторов поля [49]: где g=3,832/а; – циклическая резонансная частота колебания Н011; А – постоянная величина; J1(gr) – функция Бесселя первого рода первого порядка. Остальные составляющие равны нулю (Еr=0; Ez=0; H=0).
Из системы (2.3) можно определить, что электрическое поле имеет только одну радиальную составляющую Е, электрические силовые линии представляют собой замкнутые концентрические окружности.
Анализ пространственной структуры поля колебания Н011 при различных возмущениях предлагается провести с помощью метода конечных элементов [50] в сис-теме COMSOL Multiphysics.
Резонатор выполнен цилиндрической формы. Нижняя торцевая стенка резонатора подвижна и имеет ход 25 мм, а верхняя выполнена съемной и крепится к цилиндру тремя винтами. Внутренняя часть резонатора посеребрена. В средней части цилиндра имеются отверстия для возбуждающей и приемной петель. Возбуждающая и приемная петли выступают от плоскости боковой стенки резонатора примерно на 1,5 – 2,0 мм, при этом плоскости петель перпендикулярны оси резонатора Z.
Экспериментальное подтверждение моделей парциальных добротностей
На рисунке 2.18 показана экспериментальная установка, в которой применялся скалярный измеритель цепей Р2М-18. Она состоит из цилиндрического объемного резонатора, измерителя цепей Р2М-18 № 1114090075 и компьютера с интерфейсом Р2М-18. В состав Р2М-18 входит комплект разъемов, кабелей и детекторная секция Д42-20-13, работающая в линейном режиме.
Скалярный измеритель цепей Р2М-18 обеспечивает измерение коэффициента передачи по мощности в диапазоне до 18 ГГц. Точность измерения мощности составляет 0,001 дБ, а частоты - 1 кГц. Обзор частоты в эксперименте устанавливался равным 1 МГц. С помощью скалярного измерителя цепей Р2М-18 обеспечивается автоматическое слежение за максимумом коэффициента передачи. Нагруженная добротность определялась по полосе пропускания колебательной системы на уровне 0,5 от максимального значения, что соответствует минус 3дБ от максимума.
Добротность пустого цилиндрического объемного резонатора в данной установке со скалярным измерителем цепей составила Q0 = 24400 ± 450. Компьютерный интерфейс Р2М-18 Визуализация АЧХ с индикацией частот и затухания меток Измеритель цепей Р 2 М-18 ЦОР Детекторная секция Рисунок 2.18 - Внешний вид скалярного измерителя цепей Р2М-18 2.7 Разработка модели парциальной добротности цилиндрического объемного резонатора с эмульсионной влагой
Для анализа СВЧ потерь в эмульсионной влаге экспериментально был исследован объемный резонатор с кюветой в виде пластиковой трубки, заполненной жидким углеводородом, как показано на рисунке 2.19. Кювета расположена на оси резонатора. Ее внутренний диаметр составляет – 11 мм, высота l – 105 мм.
В качестве жидкого углеводорода использовалось моторное масло FELIX SAF 10W-40, так как водная эмульсия в масле сохраняется около суток. Полное расслоение воды и масла составляет порядка недели, существует возможность диспергирования до десятков процентов влаги. Эмульсия готовилась путем смешения моторного масла с объемом воды, равным 5, 10 и 15 %, от объема масла. Этот объем эмульсионной влаги на три порядка больше, чем объем естественной эмульсионной влаги в авиационном топливе. Структурная схема экспериментальной установки представлена на рисунке 2.20. 0 л. Выход Вход «Y» /4/1/ ON О Рисунок 2.20 - Структурная схема экспериментальной установки: 1- ЦОР, 2 - полиэтиленовая кювета, 3 - возбуждающая петля, 4 - приемная петля, 5 - генератор СВЧ, 6 - коаксиальный кабель, 7 - детектор СВЧ колебаний, 8 - осциллограф С1-65А, 9 - исследуемый жидкий углеводород; 10 - частотомер 43-54 Проанализируем модели СВЧ потерь в жидком углеводороде с эмульсионной влагой [52, 57]. Модуль электрической составляющей ф электромагнитного колебания Н011 пустого резонатора имеет вид К =AxJ1(gr)sin(-z] . (2.19) В основу анализа положена известная формула ненагруженной добротности резонатора 11 1 (2.20) где бо - парциальная добротность за счет потерь в стенках резонатора и в исследуемой кювете с исследуемым углеводородом без эмульсионной влаги; бпарц - парциальная добротность за счет потерь в эмульсионной влаге жидкого углеводорода.
Получим модель парциальной добротности в предположении, что мощность потерь пропорциональна объемной доле эмульсионной влаги W. Тогда JE dV+e JE dV бпарц = Г4 , (2.21) 1 e xWxJE dV v где єуг - относительная действительная диэлектрическая проницаемость углеводорода; є" - относительная мнимая диэлектрическая проницаемость воды [58]; V0 - объем резонатора; V1 - возмущенный объем.
Числитель выражения (2.21) представляет собой максимальную запасенную энергию в резонаторе, а знаменатель - энергию потерь за период свободных колебаний. После подстановки в (2.21) выражения для электрической составляющей (2.19) Г 3,832 rdr К 2rrdr + s (3,832 ї уг\ \ г апарц = . , . (2.22) ГЙ?Г о v « ; Нагруженная добротность на основе (2.20) и (2.22) бо+бпарц Рассмотрим электростатическое приближение [58], которое применимо для диаметра капель, имеющих размер много меньше длины волны. Пусть объем влаги -это диэлектрический шарик в постоянном электрическом поле (из-за малых размеров капель поле в окрестности нескольких диаметров можно считать равномерным). Из [24] электрическое поле в объеме шарика Еш=ЕО 38уг =ахЕ0, (2.24) Ф є + 2Єуг " где єуг - относительная действительная диэлектрическая проницаемость углеводорода; є - относительная действительная диэлектрическая проницаемость воды на СВЧ [59].
Экспериментальная проверка метода контроля свободной влаги с концентрирующим диэлектриком
Определение структуры поля и оценка влияния граничных условий осуществлены на основе дополнительного ряда экспериментов. Для этого был использован плоский капилляр с влагой между двумя пластинами из поливинилхлори-да, толщина капилляра составила примерно 400 мкм. Осуществлялось его перемещение вдоль радиуса и по углу в системе, показанной на рисунке 3.1. Исследования проводились для трех площадей капилляров.
На рисунке 3.7 а, б представлены экспериментальные значения нагруженной добротности в зависимости от площади капилляра при его перемещении вдоль радиуса резонатора и расположенной горизонтально на пластине-основании. Высота пластины-основания равна 15 мм. Доверительная вероятность измерений равна 0,95. Число измерений – 10, при каждом измерении капилляр формировался заново.
Нагруженная добротность от площади капилляра: а) — Измерительная схема; б) — Экспериментальные значения при разных положениях вдоль радиуса резонатора В положении, равном половине радиуса резонатора, наблюдается максимум потерь, что характерно для структуры электрического поля пространственного колебания #011.
На рисунке 3.8 а представлены экспериментальные значения нагруженной добротности от углового положения. Угловое перемещение осуществлялось на расстоянии r0 = 0,48a от оси резонатора, как показано на рисунке 3.8 б.
Нагруженная добротность от углового положения капилляра Также как и электрическое поле СВЧ-потери не зависят от углового положения пластины (капилляра).
На рисунке 3.9 показаны экспериментальные значения нагруженной добротности от ориентации нормали капилляра относительно направления силовой линии напряженности электрического поля.
Нагруженная добротность от ориентации нормали капилляра относительно направления силовой линии
В случае, когда плоскость капилляра перпендикулярна вектору напряженности электрического поля (\/ = 0), наблюдается минимум потерь, а когда касательная ( у = % ) - максимум, что полностью согласуется с граничными условиями на границе воздух-капилляр в виде пластины.
Таким образом, приведенные выше эксперименты подтверждают правомерность анализа физических процессов применительно к структуре пространственной моды Н 011. 3.5 Метрологический анализ разработанного метода Полученные результаты позволили провести анализ различных факторов, влияющих на погрешность измерения влажности авиационного топлива. 1. В 1 тонне авиационного топлива может быть максимально растворено до 50 мл воды, в зависимости от условий окружающей среды. Эту воду называют связанной влагой. Связанная влага проходит вместе с керосином через устройство отбора пробы и не оказывает существенного влияния на измерения, объем связанной влаги в небольшом количестве жидкого углеводорода (1 мл) оставшемся на фильтрующем элементе ничтожно мал, около 0,05 мкл, что на порядок меньше заявленной чувствительности предлагаемого метода контроля. 2. Свободная влага в пробе может быть химически засолена. Засоленность влияет на омические потери. (Потери за счет движения свободных зарядов.) Диэлектрические потери вызваны раскачкой молекул СВЧ полем. Омические потери примерно на три порядка меньше диэлектрических. Поэтому этим фактором можно пренебречь. 3. Проба располагается на пенополистироле марки ПСБ-15 высотой 22 мм. Пенополистирол этой марки является плохо смачиваемым материалом. Влага, нанесенная на пенополистирол, за счет поверхностного натяжения, коагулируется в капли и не проникает внутрь материала. 4. Сила прижатия капель влаги тонкой пластиной не оказывает существенного влияния на измерения, когда соотношение осей высоты к длине становится равным 1/50 [24], поле внутри объема влаги составляет примерно 92 % от поля вне его, если 1/100 то соотношение полей составляет 97 %. В нашем случае соотношение осей не менее 1/10000. 5. Температура окружающего воздуха оказывает влияние на диэлектрическую проницаемость воды. Так при t = 20 С мнимая диэлектрическая проницаемость воды " = 13, а при t = 2 С – " = 25 для резонансной частоты f0 = 2750 МГц. Далее определим погрешность измерения для этих температур при условии разброса " = 13 ± 1 и " = 25 ± 1. 6. Фактор случайной фиксации границ полосы пропускания f оказывает влияние на относительную случайную погрешность измерения. Будем опреде лять ее при условии разброса на нижней и верхней граничных частотах поло сы пропускания равном ± 2 кГц. 7. Фактор случайного расположения капель эмульсионной влаги на по верхности фильтрующего материала. Будем считать, что прижатые капли эмульсионной влаги диаметром 5 – 30 мкм расположены равномерно по радиу су резонатора а на пенополистироле высотой h0 = 22мм, как показано на рисун ке 3.10 для двух случаев: а) – от 0 до 3а/4 и б) – от а/4 до3а/4.