Дистанційна температурна радіометрична ідентифікація рідин

  • A. V. Pavlyuchenko Державний науково-дослідний центр "Айсберг", м. Київ
  • P. P. Loshitskyi Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського" https://orcid.org/0000-0003-2349-0092
Ключові слова: радіометрична система, тепловий портрет, поляризація електромагнітної хвилі, діелектрична тара, водяні розчини, продукти нафтопереробки

Анотація

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.

Біографії авторів

A. V. Pavlyuchenko, Державний науково-дослідний центр "Айсберг", м. Київ
Павлюченко А. В., к.т.н.
P. P. Loshitskyi, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського"

Лошицький П. П., д. т. н., професор кафедри електронної інженерії

Посилання

Перечень ссылок

Salmon Neil A. Outdoor Passive Millimeter Wave Imaging: Phenomenology and Scene Simulation // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - 2018.

Jeffrey S. Lee, Gerald B. Cleaver. The cosmic microwave background radiation power spectrum as a random bit generator for symmetric- and asymmetric-key cryptography. Heliyon 3, (2017) e00422.

Amani Y. Owda, Neil Salmon, and Nacer-Ddine Rezgui. Electromagnetic Signatures of Human Skin in the Millimeter Wave Band 80–100 GHz // Progress In Electromagnetics Research B. - 2018. - Vol. 80. - pp. 79–99.

Samavi S., Shirani S. and Karimi N. Real-Time Processing and Compression of DNA Microarray Images // IEEE TRANSACTIONS ON IMAGE PROCESSING. - 2006. - VOL. 15, No. 3.

Federico Alimenti, Luca Roselli and Stefania Bonafoni. Microwave Radiometers for Fire Detection in Trains: Theory and Feasibility Study. Sensors, 2016,Vol. 16, p. 906.

Y. Divin, M. Lyatti, U. Poppe, K. Urban. Identification of liquids by high-Tc Josephson THz detectors. Physics Procedia, Vol. 36 (2012), pp. 29 - 34. DOI: 10.1016/j.phpro.2012.06.125.

Хорстхемке В., Лефевр Р. Индуцированные шумом переходы: Теория и применение в физике, химии и биологии: Пер. с англ. - М. : Мир, 1987. - 400с.

Павлюченко А. В., Лошицкий П. П., Шеленговский А.И., Бабенко В. В. Дистанционная идентификация жидкостей в закрытых диэлектрических емкостях в миллиметровых диапазонах длин волн I. Принципиальная возможность // Известия ВУЗов. Радиоэлектроника. - 2017, Т. 60, №10. - с. 547-558.

Павлюченко А. В., Лошицкий П. П., Шеленговский А.И., Бабенко В. В. Дистанционная идентификация жидкостей в закрытых диэлектрических емкостях в миллиметровых диапазонах длин волн II. Линейное сканирование. Известия ВУЗов. Радиоэлектроника. 2018, т. 61, №4 (670), с. 157- 167.

Харвей А. Ф. Техника сверхвысоких частот. Пер с англ. Под ред. В. И. Сушкевича. т.1. М., Сов. Радио. 1965.

Павлюченко А. В., Лошицкий П. П., Шеленговский А.И., Бабенко В. В. Радиометрическая подсветка ближней радиолокации // Вестник НТТУ "КПИ". Сер. Радиотехника. Радиоаппаратуростроение. - 2016. - Вып. 67. - с. 43-49. DOI: https:doi.org/10.20535/RADAP.2016.67.43-49.

Прикладная физическая оптика: Учеб. Пособие. В. А. Москалева, И. М. Нагибина, Н. А. Полушкина, В. Л. Рудин; Под общ. ред. В. А. Москалева. — С.-Пб. : Политехника, 1995. - 528 с.

Е. Г. Зелкин, Р. А. Петрова Линзовые антенны. М. : Сов. Радио, 1974. - 280 с.

Стрэтт Дж. (лорд Рэлей). Теория звука.Т.2. - М. : Гостехиздат, 1955. - 476с.

С. В. Пацаева. Подлинная жизнь водно-спиртовых растворов // Химия и жизнь. 2010. - №5. с. 41– 43.

Leffler L. W. Petroleum Refining for the Nontechnical Person. Second Edition. - Penn Well Books. Penn Well Publishing Company, 1985. - 230 p.

References

Salmon N.A. (2018) Outdoor Passive Millimeter-Wave Imaging: Phenomenology and Scene Simulation. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 66, Iss. 2, pp. 897-908. DOI: 10.1109/tap.2017.2781742

Lee J.S. and Cleaver G.B. (2017) The cosmic microwave background radiation power spectrum as a random bit generator for symmetric- and asymmetric-key cryptography. Heliyon, Vol. 3, Iss. 10, pp. e00422. DOI: 10.1016/j.heliyon.2017.e00422

Owda A.Y., Salmon N. and Rezgui N.D. (2018) Electromagnetic signatures of human skin in the millimeter wave band 80-100 GHz. Progress In Electromagnetics Research B, Vol. 80, pp. 79-99. DOI: 10.2528/pierb17120403

Samavi S., Shirani S. and Karimi N. (2006) Real-time processing and compression of DNA microarray images. IEEE Transactions on Image Processing, Vol. 15, Iss. 3, pp. 754-766. DOI: 10.1109/tip.2005.860618

Alimenti F., Roselli L. and Bonafoni S. (2016) Microwave Radiometers for Fire Detection in Trains: Theory and Feasibility Study. Sensors, Vol. 16, Iss. 6, pp. 906. DOI: 10.3390/s16060906

Divin Y., Lyatti M., Poppe U. and Urban K. (2012) Identification of Liquids by High-Tc Josephson THz Detectors. Physics Procedia, Vol. 36, , pp. 29-34. DOI: 10.1016/j.phpro.2012.06.125

Gzyl H. (1988) Noise-induced transitions: Theory and applications in physics, chemistry and biology. Acta Applicandae Mathematicae, Vol. 11, Iss. 1, pp. 97-98. DOI: 10.1007/bf00047115

Pavlyuchenko A.V., Loshitskiy P.P., Shelengovskiy A.I. and Babenko V.V. (2017) Remote identification of liquids in a dielectric container using millimeter waves. 1. Principal possibility. Radioelectronics and Communications Systems, Vol. 60, Iss. 10, pp. 423-430. DOI: 10.3103/s0735272717100016

Pavlyuchenko A.V., Loshitskiy P.P., Shelengovskiy A.I. and Babenko V.V. (2018) Remote Identification of Liquids in a Dielectric Container Using Millimeter Waves. 2. Linear Scanning. Radioelectronics and Communications Systems, Vol. 61, Iss. 4, pp. 157-167. DOI: 10.3103/s0735272718040039

Harvey A. F. (1963) Microwave Engineering, Academic Press, London and N. Y.

Pavlyuchenko A. V., Loshitskyi P. P. Shelenhivskyi A. I. and Babenko V. V. (2016) Radiometric illumination for short-range radar. Visnyk NTUU KPI Seriia - Radiotekhnika Radioaparatobuduvannia, Iss. 67, pp. 43-49. DOI: 10.20535/RADAP.2016.67.43-49.

Moskaleva V. A. ed., Nagibina I. M., Polushkina N. A., Rudin V. L. (1995) Prikladnaya fizicheskaya optika [Applied of physical optics], Polytechnic, S.P., 528 p.

Zelkin E. G. and Petrova R. A. (1974) Linzovye antenny [Lens antennas], Moscow, Sov. Radio, 280 p.

Strutt J. W. and Rayleigh B. (1878) The theory of sound, Vol. 2, London, MacMillan and Co., 530 p.

Patsaeva S. V. (2010) Podlinnaya zhizn' vodno-spirtovykh rastvorov [Authentic life of the aqueous-alcoholic solution], Khimiya i zhizn', No. 5, pp. 41-43.

Leffler L. W. (1985) Petroleum Refining for the Nontechnical Person, Penn Well Books, Penn Well Publishing Company, 230 p.

Опубліковано
2019-03-30
Як цитувати
Pavlyuchenko, A. V. і Loshitskyi, P. P. (2019) «Дистанційна температурна радіометрична ідентифікація рідин», Вісник НТУУ "КПІ". Серія Радіотехніка, Радіоапаратобудування, 0(76), с. 44-57. доступний у: http://radap.kpi.ua/radiotechnique/article/view/1530 (дата звернення: 16Липень2019).
Номер
Розділ
Теорія та практика радіовимірювань