Е. М. ВИШНЯКОВ, Р. М. МИЛЯЕВ
Озёрский технологический институт МИФИ
Зависимость сдвига фаз тока и напряжения датчика толщины слоя органики
Ранее [1-3] сообщалось о контроле органических слоёв на поверхности электролитов радиохимических производств ПО «Маяк» с помощью двух коаксиальных линий. Несмотря на эффективность метода, усложнённая конструкция датчика затруднила его внедрение.
Поэтому были предпринято исследование возможности решение этой задачи с помощью уже применяемого на производстве радиочастотного датчика уровня электролита, представляющего собой одиночную коаксиальную линию. Как указывалось ранее, [1] (индуктивный) входной импеданс Z короткозамкнутого датчика зависит от уровня L электролита. Если датчик рассматривать как линию без потерь, то:
Z = j Zo tg(k (S – L)) » j Zо k(S – L) (*)
где Zo – волновое сопротивление, S – длина линии, L – уровень электролита относительно нижнего (короткозамкнутого) конца датчика, k – волновое число. Это и используется для преобразования уровень-частота.
Как показывают расчёты с помощью выражений типа (*), а также многолетняя практика работы с датчиком, наличие на поверхности электролитов органических (диэлектрических) слоёв практически не влияет на величину Z. И это вроде бы исключает применение датчика для контроля толщины таких слоёв. Тем не менее, это не так.
Дело в том, что анализ входного импеданса с учётом омических и диэлектрических потерь в линиях, а также в диэлектрике и в электролите показал, что абсолютная величина Z действительно слабо зависит от диэлектрических слоёв. Зато в области резонансных частот датчика резко меняется соотношение реактивной и активной составляющих Z, что ведёт к заметной зависимости сдвига фаз входного тока и напряжения датчика от толщины диэлектрика.
Z = Zo* [ Z' + j Zo* t ] /[ j t Z' + Zo*] (**)
где Zo* = [ (jwL+R)/ jwC ]1/2 ; t = tg( k*(S – L – H) ) ;
k* = [ (jwL+R) jwC ]1/2 ; – параметры воздушной части датчика
Z' = Ze* [ Ze* + j Ze* t' ] /[ j t' Ze* + Ze*] ;
Ze* = [ (jwL+R) / (jwCe + Ge) ]1/2 t' = tg( k'* H) ; k'* = [ (jwL+R)( jwCe + Ge) ]1/2 – параметры части датчика, пересекающей диэлектрический слой толщины Н с диэлектрической константой e и тангенсом потерь tgd ;
Z''* = Zе* j t'' ; Zе* = [ (jwL+R) / (jwCе + Gе) ]1/2 ;
t'' = tg( k''* L) ;
k'* = [ (jwL+R) ( jwCе +Ge) ]1/2 – параметры части датчика, погружённой в электролит с проводимостью s и диэлектрической константой eе.
В формулах R, L, C, Ce = C e1/2 , Ce = C (ee)1/2 , G, Ge = wC tgd, Gе – погонные параметры указанных выше частей линии.
Расчёты с помощью (**) показали, что на частотах, близких к резонансным, должен наблюдаться заметный сдвиг фаз между входным током и входным напряжением датчика. Причём сдвиг фаз зависит от толщины диэлектрика.
На рисунке кривыми представлены расчётные сигналы – аналоги сдвига фаз при разной толщине диэлектрика (трансформаторного масла). Числа около кривых – паразитные ёмкости датчика. Точки – эксперимент ( о нём будет подробнее рассказано в другом месте). Наблюдается удовлетворительное согласие расчёта и эксперимента.
В данной серии экспериментов был достигнут коэффициент преобразования толщина – напряжение до 0,75 мВ/мм. Сильный разброс точек обусловлен лабораторными помехами, которые в производственных условиях могут быть эффективно подавлены.
В целом метод может быть успешно применён для решения поставленной задачи с помощью применяемых на производстве датчиков, что существенно снизит затраты и ускорит внедрение метода.
Список литературы
1. , МГД промывка датчика толщины ТБФ на поверхности радиохимических электролитов. Научная сессия МИФИ-2005.
2. , Миляев Промывка датчика толщины органики на поверхности радиохимических растворов. Научная сессия МИФИ-2004 .
