Розробка математичної моделі двоканального НВЧ вимірювального перетворювача вологості природного газу

Abstract

Обґрунтовано вибір хвилеводного надвисокочастотного методу вимірювання вологості природного газу, в якому на відміну від відомих, запропоновано використання біжучої хвилі у хвилеводі, при цьому оцінюються зміни діелектричних властивостей газів у разі їхньої взаємодії з хвилями НВЧ діапазону. Запропоновано математичну модель НВЧ вимірювального перетворення вологості природного газу, суть якого полягає у поглинанні НВЧ сигналу, а отже — вимірюванні потужності цього сигналу на виході хвилеводу у разі зміни вологості газу шляхом використання біжучої хвилі. Отримано функцію перетворення та теоретичну залежність, яка свідчить про високу чутливість. Проведено дослідження залежності потужності біжучої хвилі від абсолютної вологості водяної пари за різних значень довжини проходження НВЧ сигналу у вологому середовищі з урахуванням температури та тиску. На основі проведених досліджень запропоновано двоканальний НВЧ вимірювальний перетворювач вологості природного газу та його математичну модель, яка враховує значення діелектричної проникності газу вимірювального та опорного каналів, а також значення температури та тиску природного газу вимірювального каналу. Проведено дослідження, які показали, що наявність опорного каналу дозволило підвищити точність вимірювання, оскільки двоканальна система, на відміну від одноканальної, нівелює нестабільність значення вхідного сигналу, поданого генератором. Описано принцип роботи двоканального НВЧ вимірювального перетворювача вологості природного газу, який містить НВЧ генератор, атенюатор, хвилеводний трійник, хвилеводну секцію порівняння, датчик температури та тиску, комутатор порівняльного каналу, вимірювальну кювету, підсилювач, індикаторний пристрій. Результати досліджень дають можливість підтвердити перспективність практичного застосування вимірювання вологості природного газу засобами, основаними на НВЧ методі біжучої хвилі.

The choice of the waveguide microwave method of measuring the humidity of natural gas has been substantiated in the article. In contrast to the known methods, the use of a traveling wave in a waveguide has been proposed, and changes in the dielectric properties of gases when they interact with the microwave waves in the microwave range are estimated. A mathematical model for the microwave measuring converter of the humidity of natural gas has been proposed, the meaning of which is to absorb the microwave signal and, consequently, measure the power of this signal at the output of the waveguide when the humidity of the gas changes by using a traveling wave. The function of conversion and theoretical dependence, which indicates high sensitivity, has been obtained. The dependence of the power of a traveling wave on the absolute humidity of water vapor at various values of the passage of the microwave signal in a humid environment, taking into account temperature and pressure has been investigated. Based on the research, a two-channel microwave measuring transducer of natural gas and its mathematical model has been proposed. The model takes into account the dielectric constant of the measuring and reference channels, and the temperature and pressure of the natural gas of the measuring channel. There have been conducted the studies that showed that the presence of the reference channel has improved the measurement accuracy, since the two-channel system, in contrast to the single-channel, eliminates the instability of the value of the input signal supplied by the generator. The principle of operation of a two-channel microwave measuring transducer of natural gas has been described, which con-tains a microwave generator, attenuator, waveguide tee, waveguide comparison section, temperature and pressure sensor, reference channel switch, measuring cell, amplifier, display. The research results suggest that it is promising for practical appli-cation of measuring the humidity of natural gas devises using tools based on the microwave traveling wave method.

Обоснован выбор волноводного СВЧ метода измерения влажности природного газа, в котором, в отличие от известных, предложено использование бегущей волны в волноводе, при этом оцениваются изменения диэлек-трических свойств газов при их взаимодействии с волнами СВЧ диапазона. Предложена математическая модель СВЧ измерительного преобразования влажности природного газа, смысл которого заключается в поглощении СВЧ сигнала, а следовательно — измерении мощности этого сиг-нала на выходе волновода при изменении влажности газа путем использования бегущей волны. Получено функ-цию преобразования и теоретическую зависимость, которая свидетельствует о высокой чувствительности. Проведено исследование зависимости мощности бегущей волны от абсолютной влажности водяного пара при различных значениях длины прохождения СВЧ сигнала во влажной среде с учетом температуры и давления. На основе проведенных исследований предложены двухканальный СВЧ измерительный преобразователь влажности природного газа и его математическая модель, учитывающая значение диэлектрической проницае-мости газа измерительного и опорного каналов, а также значение температуры и давления природного газа измерительного канала. Проведены исследования, которые показали, что наличие опорного канала позволило повысить точность измерения, поскольку двухканальная система, в отличие от одноканальной, нивелирует нестабильность значе-ния входного сигнала от генератора. Описан принцип работы двухканального СВЧ измерительного преобразователя влажности природного газа, который содержит СВЧ генератор, аттенюатор, волноводный тройник, волноводную секцию сравнения, дат-чик температуры и давления, коммутатор сравнительного канала, измерительную кювету, усилитель, индика-ции. Результаты исследований позволяют подтвердить перспективность практического применения измере-ния влажности природного газа средств, основанного на СВЧ методе бегущей волны.