Remote temperature radiometric identification of liquids
Вісник НТУУ "КПІ". Серія Радіотехніка, Радіоапаратобудування.
Переглянути архів Інформація| Поле | Співвідношення | |
| Title |
Remote temperature radiometric identification of liquids
Дистанционная температурная радиометрическая идентификация жидкостей Дистанційна температурна радіометрична ідентифікація рідин |
|
| Creator |
Pavlyuchenko, A. V.
Loshitskyi, P. P. |
|
| Description |
Introduction. Most of the known methods cannot be used to remotely analyze a liquid, as there is no way to make contact between the researched solution and the measuring equipment. Atoms or molecules of any physical object with a temperature higher than absolute zero make spontaneous movements, which are transformed into electromagnetic fluctuations of thermal radiation. This radiation depends not only on the absolute temperature of the object but also on multiple qualities of the object as well as its interaction with the environment, including thermal interactions. Theoretical results. The analysis of dielectric cylindrical packages with researched liquids sealed inside was carried out based on quasioptical qualities of multilayer dielectric cylindrical lenses. The qualities of such lenses are related to parameters of both liquid and its package, therefore, it results in a possibility to distinguish liquids' parameters based on changes in penetrating electromagnetic waves' parameters. Experimental results. The radiometric methods of measurements in 8mm wavelength range for remote identification of liquids sealed in dielectric packages. Polarizing static thermal portraits of liquids in the temperature range from 0ºC to 25ºC were obtained. The differences in physicochemical characteristics of the liquids cause differences in their thermal portraits, which manifest in quantities of minimums and maximums, and different slopes of particular parts of the graphs, and can be recorded distinctly. The areas of phase transitions between solid matter and liquid, which are defined by the existence of negative slope of dependence between the received signal level and the temperature in the area between two maximums of thermal portrait (thermal capacity) can be identified during temperature measurements of liquids by radiometric methods. There are defining characteristics for each of the liquid groups (water-alcohol solutions, refined oil products), which are related to heat transmission thermodynamics. During natural heating of the cool liquids, a thin layer of ice or dew is created on the surface of the package, which is an additional layer for a dielectric lens that decreases the amplitude of the received signal but does not change the quality of different liquid's thermal portraits. Conclusions. The possibility of remote identification of liquids, which are similar in composition, for example, water solutions of ethanol with different concentration and refined oil products, is proved experimentally. Different types of packages that serve as an outer layer of a two-layered dielectric lens affect its quasioptical properties and therefore, the thermal portrait, which is being formed. Static thermal portraits show that main differences for liquids are found in the areas of minimal quantities of dependences of receiver signals' relative amplitudes, which occur in the thermal area and are connected to liquids' phase transitions (i.e. the existence of ice) in the package. Existence and size of droplets' layer depend on the specific heat of the liquid and its melting temperature. Graph analyzing of the experimental data (thermal portrait in a range of temperatures for water solutions of ethanol with different concentration) allows obtaining information about hydrogen bonds and solutions' structure, which matches with data obtained by more methods that are complex. The proposed method of remote identification of liquids that are sealed in a dielectric package is safe and environmentally friendly, as required of illuminating radiation does not exceed 20dB/кТ0. The sensitivity of the receiver used allows remote measurement of liquids' temperature, while it's sealed in dielectric package, regardless of electromagnetic wave distribution environment, with accuracy not less than 0,1ºC. The feasibility of the usage of polarization changes for remote identification of liquids, including flammable, based on changes in their thermal portrait's temperature, which are received by radiometric methods in 8-mm waveband range is experimentally shown. The broadband noise oscillator, which is being used, carries information about the liquid and the package.
Введение. Большинство известных методов не может быть использована для дистанционного анализа жидкостей, из-за невозможности реализации непосредственного взаимодействия измеряемого раствора с измерительной аппаратурой. При температуре выше абсолютного нуля для любого физического объекта, его атомы или молекулы совершают собственные спонтанные колебания, которые трансформируются в электромагнитные колебания теплового излучения. Эти излучения зависят не только от абсолютной температуры тела, но и от свойств самого тела и его взаимодействия, в том числе и теплового, с окружающей средой. Теоретические результаты. Анализ диэлектрических емкостей цилиндрической формы внутри которых находятся исследуемые жидкости проводится на основе квазиоптических свойств многослойных диэлектрических цилиндрических линз. Свойства таких линз связаны с параметрами жидкости и тары, следовательно, появляется возможность различать параметры жидкостей по изменению параметров прошедшей ЭМВ. Экспериментальные результаты. Использованы радиометрических измерений в 8-ми миллиметровом диапазоне длин волн, для дистанционной идентификации жидкостей, находящихся в герметически закрытой диэлектрической таре. Приведены поляризационные статические тепловые портреты для жидкостей в диапазоне температур от 0ºС до 25 ºС. Различия в физико-химических свойствах жидкостей приводят к различиям в их тепловых портретов, которые проявляются в количестве минимумов и максимумов и различным значениям крутизны отдельных участков на графиках и отчетливо фиксируются. При температурных измерениях радиометрическими методами жидкостей возможно определять области фазовых переходов твердое вещество – жидкость, которые характеризуются наличием отрицательного наклона зависимости уровень принимаемого сигнала – температура в области между двумя максимумами теплового портрета (теплоемкости). Для каждой из групп жидкостей (водно-спиртовые растворы, продукты нефтепереработки) проявляются особенности, связанные с термодинамикой передачи тепла. При естественном нагревании охлажденных жидкостей на поверхности тары образуется тонкий слой инея или росы являющийся дополнительным слоем для диэлектрической многослойной линзы, который снижает амплитуду принимаемого сигнала, но не вызывающий качественные изменения тепловых портретов различных жидкостей. Выводы. Экспериментально показана принципиальная возможность дистанционно различать жидкости достаточно близкие по-своему составу - водные растворы этилового спирта различных концентраций и продукты нефтепереработки. Различные типы тары, являющиеся наружным слоем двухслойной диэлектрической линзы влияют на ее свойства и, следовательно, на формируемый тепловой портрет жидкостей. Статические ТП показывают, что основные различия для жидкостей проявляются на участках минимальных значений зависимостей относительных амплитуд принятых сигналов, которые проявляются в температурной области и связаны с фазовыми переходами жидкостей (наличием льда) внутри тары. Наличие и размеры слоя капель зависят от теплоемкости жидкости и ее температуры плавления. Графоаналитическая обработка экспериментальных данных - ТП в диапазоне температур для различных концентрациях этанола в воде, позволяет получать информацию о водородных связях и структурах растворов, которая соответствует данным, полученных более сложными методами. Предложенный метод дистанционной идентификации жидкостей в закрытой диэлектрической таре является безопасным и экологически чистым, необходимый уровень подсвечивающего излучения не превышает величину 20дБ/кТ0. Чувствительность использованного радиометрического приемника позволяет дистанционно, не зависимо от параметров среды распространения ЭМВ, измерять температуру жидкости в диэлектрической таре с точностью не хуже 0,1ºС. Экспериментально показана целесообразность использования поляризационных измерений для дистанционного различия жидкостей в том числе и огнеопасные по изменениям их температурных тепловых портретов получаемых радиометрическими методами в 8-ми мм диапазоне длин волн. Используемая широкополосная шумовая ЭМВ является переносчиком информации о жидкости и таре. Вступ. Більшість відомих методів не можливо використовувати для дистанційного аналізу рідин, через неможливість реалізувати безпосередню взаємодію вимірюємого розчину з вимірювальною апаратурою. За температури, що є вищою абсолютного нуля, атоми або молекули будь-якого фізичного об’єкта здійснюють власні спонтанні коливання, які трансформуються в електромагнітні коливання теплового випромінювання. Такі випромінювання залежать не тільки від абсолютної температури тіла, але і від властивостей самого тіла і його взаємодії, у тому числі і теплової, з зовнішнінім середовищем. Теоретичні результати. Аналіз діелектричних ємностей циліндричної форми, всередині яких знаходиться рідина, що досліджується, виконується на основі квазіоптичних властивостей багатошарових діелектричних циліндричних лінз. Властивості таких лінз пов’язані з параметрами рідин та тари, таким чином з’являється можливість розрізняти параметри рідин по зміні параметрів ЕМХ, що пройшла. Експериментальні результати. Використані радіометричні вимірювання в 8-ми міліметровому діапазоні довжин хвиль для дистанційної ідентифікації рідин, що знаходяться в герметично закритій діелектричній тарі. Наведені поляризаційні статичні теплові портрети для рідин в діапазоні температур від 0ºС до 25 ºС. Різниця в фізико-хімічних властивостях рідин приводять до різниць в їх теплових портретах, які проявляються у кількості мінімумів та максимумів та різним значенням крутості деяких ділянок на графіках, які чітко фіксуються. При температурних вимірюваннях радіометричними методами рідин можливо визначати області фазових переходів "тверда речовина--рідина", які характеризуються наявністю від’ємного наклону залежності прийнятого сигналу – температура на ділянці між двома максимумами теплового портрета (теплоємності). Для кожної з груп рідин (водно-спиртові розчини, продукти нафтопереробки) виявляються особливості пов’язані з термодинамікою передачі тепла. Під час природнього нагрівання охолоджених рідин на поверхні тари утворюється тонкий шар інею або роси, який є додатковим шаром для діелектричної багатошарової лінзи, цей шар знижує амплітуду сигналу, що приймається, але не спричиняє якісних змін теплових портретів різних рідин. Висновки. Експериментально показана принципова можливість дистанційно розрізняти рідини близькі за своїм складом – водні розчини етилового спирту різних концентрацій та продукти нафтопереробки. Різні типи тари, що є зовнішнім шаром двошарової діелектричної лінзи впливають на її властивості, тобто на формуємий тепловий портрет рідин. Статичні теплові портрети показують, що основні відмінності для рідин проявляються на ділянках мінімальних значень залежностей амплітуд сигналів, що приймаються, які виявляються в температурній області та пов’язані з фазовими переходами рідин (наявність льоду) всередині тари. Наявність та розміри краплин залежать від теплоємності рідини та температури її плавлення. Графоаналітична обробка експериментальних даних – теплових портретів у температурному діапазоні для різних концентрацій етанолу у воді, дозволяє отримувати інформацію про водневі зв’язки та структуру розчинів, яка відповідає даним, які отримані більш складними методами. Запропонований метод дистанційної ідентифікації рідин в закритій діелектричній тарі є безпечним та екологічно чистим, необхідний рівень підсвічуючого випромінення не перевищує рівень 20дБ/кТ0. Чутливість використаного радіометричного приймача дозволяє дистанційно, не залежно від параметрів середовища розповсюдження ЕМХ, вимірювати температуру рідини в діелектричній тарі з точністю не гірше ніж 0,1ºС. Експериментально показана доцільність використання поляризаційних вимірювань для дистанційної відмінності рідин, у тому числі і вогненебезпечних, по зміні їх теплових портретів, які отримані радіометричними методами в 8-ми мм діапазоні довжин хвиль. Використана широкосмугова шумова ЕМХ є переносник інформації про рідину та тару. |
|
| Publisher |
National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute"
|
|
| Date |
2019-03-30
|
|
| Type |
info:eu-repo/semantics/article
info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
|
| Format |
application/pdf
|
|
| Identifier |
//radap.kpi.ua/radiotechnique/article/view/1530
|
|
| Source |
Visnyk NTUU KPI Seriia - Radiotekhnika Radioaparatobuduvannia; No 76 (2019); 44-57
Вестник НТУУ "КПИ". Серия Радиотехника, Радиоаппаратостроение; № 76 (2019); 44-57 Вісник НТУУ "КПІ". Серія Радіотехніка, Радіоапаратобудування; № 76 (2019); 44-57 2310-0389 2310-0397 |
|
| Language |
rus
|
|
| Relation |
//radap.kpi.ua/radiotechnique/article/view/1530/1400
|
|
| Rights |
Авторське право (c) 2019 Павлюченко, Андрій Валерійович
http://creativecommons.org/licenses/by/4.0 |
|