РАЗДЕЛ 2
ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ В УСЛОВИЯХ
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ЦЕХОВ
2.1. Определение основных параметров радиолокационной
аппаратуры
Одним из условий обеспечения технических требований к системе является
формирование остронаправленного излучения и приема электромагнитной энергии
[178]. В диапазоне сверхвысоких частот эта задача решается применением
рупорных, параболических, линзовых и других антенн [140]. Конструкция рупорной
антенны позволяет формировать в ее апертуре (выходном отверстии) плоскую волну.
Причем, чем больше размер апертуры, тем более узкий пучок энергии можно
сфокусировать [180], многократно увеличив коэффициент усиления антенны.
Важнейшей количественной характеристикой, определяющей способность
концентрировать энергию в заданном направлении, является ширина диаграммы
направленности антенны или телесный угол, при отклонении на который
интенсивность излучения падает вдвое (на 3 дБ). Чем уже диаграмма
направленности антенны, тем выше ее коэффициент направленного действия (КНД),
так как то же количество энергии испускается в меньший пространственный угол.
Учитывая, что не менее важным требованием к системе является минимизация
габаритных размеров сенсорного блока (СБ) и, следовательно, антенны, возникает
задача выбора рационального значения ширины диаграммы направленности. Решением
этой задачи является определение в измеряемом диапазоне расстояний рациональной
величины диаграммы направленности с учетом минимизации паразитных отражений от
производственных конструкций устройств и сооружений.
75
При определении параметров системы с целью расширения возможностей ее
применения приняты наиболее сложные условия эксплуатации. Характерным в этом
отношении является измерение расстояния до расплава в конверторе из–за наличия
множественных паразитных помех от металлоконструкций котла–охладителя, кессона,
горловины конвертора, кислородной фурмы и других [55].
При многообразии конвертеров по емкости (от 50 до 350 т), диаметру горловины
(по футеровке) от 2 до 4 м, высоте установки СБ от 3 до 10 м в качестве
исходного объекта для расчета диаграммы направленности антенны был выбран
150–тонный конвертор Челябинского металлургического комбината [181].
В этом случае при установке СБ (рис. 2.1) по месту на отметке Dс (в пределах
шести метров от среза горловины конвертора) и расстоянии Dу = 1,4 м (между
наружной стенки кислородной фурмы и поверхностью футеровки горловины) угол
свободного обзора составит
. (2.1)
Чтобы отражение от этих элементов конвертора на расстоянии Dс были
минимальными, ширина диаграммы направленности антенны на уровне 3 дБ должна
удовлетворять неравенству
. (2.2)
Другое ограничение величины вытекает из условия, чтобы диаграмма направленности
антенны не касалась стенки фурмы в самом нижнем ее положении. С учетом глубины
пустого конвертора Dк (до семи метров) ширина диаграммы направленности должна
составлять
. (2.3)
77
Таким образом, из условий ( 2.1 ) – ( 2.3 ) ширина диаграммы направленности не
должна превышать 6,20.
Выражения (2.1) и (2.2) определяют основные условия установки СБ на объекте по
диаграмме направленности антенны. При пропорциональном уменьшении величин Dу и
Dс требования к определяют предельно допустимую величину измеряемого
расстояния. Например, при значениях Dу = 0,23 м и Dс = 1,0 м величина Dк = 1,17
м. В результате, при = 60 вертикальная стенка емкости, расположенная, например,
на расстоянии 0,117 м от центра отверстия диаметром Dу, является помехой при
измерении расстояний более 2,17 м от апертуры антенны.
Основой работы системы является излучение в пространство электромагнитных
колебаний, которые, достигнув объекта измерения, отражаются от него и могут
быть восприняты приемным устройством. Основным параметром, характеризующим
возможности обнаружения системой сигнала, является максимальное значение
потенциала П. Этот потенциал численно равен отношению переданной (излученной)
мощности Pпер к мощности Pпр отраженного от объекта сигнала на входе приемного
устройства (при условии равенства величины Pпрr мощности шумов Pш в полосе
приема [150]).
С учетом того, что величина Pш из–за наличия в системе различного рода
собственных флуктуационных токов и напряжений является минимальной величиной
отраженной мощности сигнала, которую может распознать система, целесообразно
рассмотреть величину , обратную потенциалу П. Так как в системе предполагается
использование узконаправленной (до 60) антенны, величина с достаточной для
практических расчетов точностью определяется из выражения [106]
, (2.4)
78
где L – системные потери;
– длина волны излученного сигнала;
G0 – коэффициент направленного действия антенны;
– удельная эффективная площадь рассеяния при нормальном
падении радиоволны на поверхность объекта;
H – расстояние от апертуры антенны до поверхности;
– коэффициент ослабления радиоволн в среде распространения.
Наличие пыли в качестве помехи распространению радиоволн частотой 37,5 ГГц
определяет, по косвенным оценкам [182], ослабление сигнала порядка = 0,12 дБ/м.
Образование шлакогазометаллической эмульсии при вспенивании конверторной
плавки, согласно экстраполяции результатов экспериментов в сантиметровом
диапазоне волн [182] на длину волны 8 мм, характеризует также возможность
снижения коэффициента отражения до величины – 50 дБ. Величина на частоте 24,5
ГГц ( = 12 мм) изменяется в пределах от –20 дБ до –15 дБ.
С учетом получе
- Київ+380960830922