Давно известно, что эффективность контроля различных параметров при тестах и испытаниях, чуствительность измерительных приборов и инструментов существенно зависят от частоты импульсных воздействий на измеряемый объект.

Как всегда бывает в таких случаях, повышение частоты и соответственно эффективности и чуствительности средств измерений, требуют эквивалентных решений по защите и экранированию.

Конструкция экрана всегда вызывает вопросы при оценке её реальной эффективности и дефекты в экране, возникшие от различных объективных и субъективных причин, большей частью вызванных несовершенством принципиального процесса проектирования и изготовления экрана, потребовали моего пристального внимания.

Для более полного понимания степени серьёзности указанной проблемы, мной были проведены характеризационные испытания по тематике:

Цель этой статьи показать как даже незначительные трещины или отверстия могут заметно уменьшить Электромагнитную защиту RF Anechoic chamber.

А также потверждение или опровержение принятой теории определяющей величину Электромагнитного затухания Электрического поля в результате появления небольших отверстий или трещин в металле.

В испытаниях RF Anechoic chamber на Электромагнитную утечку, я столкнулся с проблемой деградации Shielded Effectiveness на 20-40дБ из-за трещин и отверстий в сварке между металлическими платами. Было решено провести тщательные расчеты уменьшения Shielded Effectiveness, в целях определения этой величины по геометрическим формам данных отверстий.

В профессиональной литературе существует два вида Электромагнитной утечки из отверстий. Вычисление этой величины очень сложная и поэтому мы будем вынуждены прибегнуть к использованию приближений в формулах.

В первой ситуации рассмотрим отверстие в котором толщина значительно меньше диаметра (или любого другого самого длинного измерения). В этом случае исходная формула для вычисления:

это 20 умноженное на логоритм длины деленной на двойной диаметр.

Этой формулой можно пользоваться в случае если не существует большой разницы между наибольшим и наименьшим размером данного отверстия. В противном случае, формула усложняется и в ней появляются дополнительные параметры, такие как:

L - длина отверстия, S - ширина отверстия, F - частота в - MHz, - натуральный логарифм,

• Эффект "Тени".

Этот эффект объясняется тем, что в RF Anechoic chamber существует тени боковых стен на отверстие. В нашем случае испытания проводяться в крупно-маштабной камере, поэтому эта величина не может быть больше чем два децибела.

Расматривая вторую формулу, можно обратить внимание на следующее: когда у отверстия круглая или квадратная форма, второе выражение становиться равно нулю. В этом случае вторая формула становиться похожа на первую. Это выражение называется Коэффициент ширины и его значение в том, что чем уже отверстие, т.е. более похожее на трещину, тем больше Электромагнитное затухание Электрического поля этого отверстия.

Например, для пропорции 1:1000 между длиной сторон этот коэффициент имеет значение 18 дБ.

Во второй ситуации, когда толщина отверстия значительно больше чем величина диаметра или любой другой самой длинной геометрической величины этого отверстия.

В данном случае отверстие является - Waveguide Below Cutoff (WGBCO).

Используются следующие параметры для вычисления Электромагнитного затухания:

t - толщина отверстия, d – Диаметр отверстия или любого другого самого длинного измерения, F - частота в - GHz, - Cutoff частота в – GHz, A – Коэффициент величина которого равна 27.2 для квадратного или прямоугольного отверстия и 32 для круглого отверстия. Для моих вычислений воспользуемся средним значением между этими числами - 30.

Cutoff частота определяеться следующим выражением: 230 деленное на Диаметр отверстия.

В этом выражении число 230 тоже взято как среднее между квадратным, прямоугольным и круглым отверстием.

Все эти формулы дают общию величину Shielded Effectiveness, когда мы сумируем их вместе.

Необходимо сумировать результаты первой или второй формулы (в зависимости от геометрической формы отверстия), что являеться – Return loss, с результатом третей формулы, что являеться – Absorption loss, чтобы получит общий Loss или другими словами Электромагнитное затухание Электрического поля любого отверстия.

Разумеется общее Электромагнитное затухание отверстия не может быть больше чем Электромагнитное затухание металла в котором это отверстие находиться. А также все мои вычесления относиться к дальнему Электромагнитному полю – Plane Wave.

С целью проверки теории приведенной выше, я использовал панель соединителей в RF Anechoic chamber. Эта крупно-маштабная камера изготовленная из оцинкованной стали толщиной 3 мм.

В панели были проделаны отверстия различных геометрических форм. Этот эксперимент был произведен на частоте 3GHz. Общая Shielded Effectiveness данной камеры составляет - 105дБ на этой частоте.

Из полученых результатов можно сделать вывод что формулы приведенные выше достаточно точные с погрешностью до 3-4дБ. А также очевидно что максимальная Электромагнитная утечка происходит из отверстий со значительной длиной по отношению к толщине этого отверстия, другими словами из трещин.

Из всего вышеизложенного видно, как каждая, практически стандартная деталь в контрольно – измерительной системе, при принятых технических нормах и существующих технических условиях, в случае её применения в условиях массового производства может привести к серьёзным проблемам, а попытки решить эту проблему традиционно принятыми методами могут существенно увеличить стоимость системы, что несомненно приведёт к коммерческим потерям.

Для решения возникших проблем необходимо нетривиальное, инновационное решение.

Для поиска наиболее подходящего концептуального решения я обратился к публикациям на сайте Ярослава Ващука в которых затронута и на уровне принципиального решения раскрыта тема он-лайн контроля и мониторинга, в том числе и радиочастотных элементов конструкции различных изделий массового спроса.

По интересующей меня тематике, я выбрал для аналитического рассмотрения следующие публикации сайта:

• Изобретения в области бесконтактного мониторинга качества питьевой воды и коровьего молока;
• Инновации в области альтернативной измерительной техники, как средство предотвращения псевдо-революций в классической физике;
• Инновативная прецизионная технология нано-измерений;

Автор всех этих статей подходит к комплексным локальным проблемам техники измерений, контроля и мониторинга, в том числе и к операциям с использованием радиочастотных датчиков и эквивалентных систем измерений с оригинальных позиций инновационного специалиста, решающего эти и связанные с ними проблемы по методике Теории Решения Изобретательских Задач и Алгоритма Решения Изобретательских задач, решая задачи и проблемы экранирования, практически не решаемые традиционно принятыми методами, принципиально новыми средствами, концептуально исключающими причины, вызывающие проблемы экранирования.

Предлагаемая в этих публикациях методика, заслуживает особого внимания и я считаю уместным и полезным привести некоторые её положения и разделы:

Методика выбора рабочих частот датчиков

Данная методика описывает первый этап, неоходимый для построения системы мониторинга концентрации компонентов исследуемой смеси. Под смесью подразумевается любая совокупность компонентов, один из которых является превалирующим по объёму и рассматривается в качестве условного растворителя, а другие – рассматриваются в качестве условных растворённых компонентов. Понятие условного растворителя не ограничивается жидким однокомпонентным веществом, способным образовывать растворы с другими веществами; это также может быть смесь либо газообразных, либо жидких и даже твердых веществ (пример - компаунд), которые могут служить базой для для образования не только растворов, но суспензий, туманов пен. Соответственно условные растворённые компоненты могут быть не только растворены, но и присутствовать в растворах в качестве суспезий, колоний бактерий, капелек тумана, газовых пузырьков в пене или частичек наполнителя в компаундах.

Поиск оптимальной рабочей частоты датчика для построения системы мониторинга одной компоненты смеси.

Такая система мониторинга может применяться в технологических процессах, в которых возможно изменение концентрации одной компоненты, при этом концентрации других компонент остаются неизменными.

Подготовка образцов для измерения

Необходимо приготовить два образца с концентрациями исследуемой компоненты, соответствующими границам предполагаемого дипазона изменения этой концентрации.

Сканирование

Используя потенциостат, произвести сканирование подготовленных образцов по частоте, используя всю полосу пропускания потенциостата (в нашем случае: от 0.100 МГц до 170 МГц). В процессе сканирования снимаются и записываются показания потенциостата ввиде изменений амплитуды и сдвига фазы протекающего через образец тока относительно гармонически изменяющегося зондирующего напряжния со стабилизированной постоянной амплитудой.

Анализ результатов

По результатам сканировани надо выбрать несколько частот, при которых разница между амплитудами исследуемых образцов достигает наибольших значений и несколько частот, при котрых разница в сдвигах частот достигает наибольших значений. Выбранные частоты будут являться исходными данными для проектирования изготовления пробных резонансных датчиков.

Выбор оптимального датчика

Выбор набора частот по резудьтатам сканирования образцов с использованием потенциостата носит предварительный характер. Для принятия решения относительно оптимальной рабочей частоты однокомпонентной системы мониторинга концентрации необходимо провести испытания каждого пробного резонансного датчика, но уже не с двумя, а, по крайней мере, с 10-ю образцами с различными концентрациями исследуемой компоненты, находящимися в пределах предполагаемого дипазона её изменения. После проведения испытаний всех опытных образцов датчиков можно выбрать лучший, при этом следует отдавать предпочтение датчикам, которые наряду с хорошей чувствительностью, имеет монотонное изменение показаний в соответствии с изменением концентрации контролируемой компоненты (для удобства последующей калибровки). Более низкие частоты предпочтительней с точки зрения обеспечения помехозащищённости. Также при выборе датчика необходимо учесть конструктивные ограничения

Поиск оптимальных рабочих частот датчиков для построения системы мониторинга двух компонент смеси

Такая система мониторинга может применяться в технологических процессах, в которых возможно изменение концентрации двух компонент, при этом концентрации других компонент остаются неизменными.

Подготовка образцов для измерения

Необходимо приготовить по два образца для каждой исследуемой компоненты с концентрациями, соответствующими границам предполагаемого дипазона изменения этих концентрации, а также образец, в котором эти компоненты отсутствуют полностью.

Сканирование

Используя потенциостат, произвести сканирование подготовленных образцов по частоте, используя всю полосу пропускания потенциостата (в нашем случае: от 0.100 МГц до 170 МГц). В процессе сканирования снимаются и записываются показания потенциостата ввиде изменений амплитуды и сдвига фазы протекающего через образец тока относительно гармонически изменяющегося зондирующего напряжния со стабилизированной постоянной амплитудой.

Анализ результатов

Для каждой исследуемой компоненты по результатам сканировани надо выбрать несколько частот, при которых разница между амплитудами исследуемых образцов достигает наибольших значений, несколько частот, при котрых разница в сдвигах частот достигает наибольших значений и частоты (или диапазоны частот), на которых отсутствует чуствительность к одной компоненте, а к другой она есть. Проанализировать полученные выборки частот. В зависимости от результатов сравнения существует несколько возможных алгоритмов выбора рабочих частот датчиков.

Вариант, когда существуют частоты, на которых присутствует чувствительность только к одной компоненте.

Этот вариант является наиболее предпочтительным для построения системы мониторинга концентраций исследуемых компонент.

Если такие частоты существуют, как для одной компоненты, так и для другой, то выбор рабочих частот очевиден: для изготовления опытных образцов резонансных датчиков нужно выбрать такие рабочие частоты, на которых при отсутствии чувтвительности к одной компоненте, чувствительность к другой максимальна. Таких частот нужно выбрать, по крайней мере, по одной для каждой компоненты.

Если такие частоты существуют только для одной из компонент, то для изготовления опытных образцов резонансных датчиков для этой компоненты нужно выбрать такие рабочие частоты, на которых при отсутствии чувтвительности к одной компоненте, чувствительность к другой максимальна, для другой копоненты из её набора частот следует выбрать такие рабочие частоты, на которых разница в чувствительности к исследуемым компонентам наибольшая.

Вариант, когда нет частот, на которых присутствует чувствительность только к одной компоненте, но полученные выбоки частот не совпадают между собой.

В этом случае для изготовления опытных образцов резонансных датчиков следует выбрать из каждого набора частот такие рабочие частоты, на которых разница в чувствительности к исследуемым компонентам наибольшая.

Вариант, когда полученные выбоки частот совпадают между собой.

Этот вариант является наиболее сложным для построения системы мониторинга концентраций исследуемых компонент. Если набор частот для одной компоненты полностью совпадает с набором для другой, то необходимо проверить на всех ли частотах сохранется пропорция между изменениями амплитуды или сдвига фазы для одной компоненты и изменениями амплитуды или сдвига фазы для одной компоненты. Если всё совпадает, то следует попробывать повторить сканирование, используя другие значения зондирущего напряжения. Если не удаётся добиться различий, то, скорее всего, исследуемые компоненты являются неразличимыми с точки зрения электрохимической импедансной спектроскопии. Тем не менее, даже в это случае можно попробовать изготовить несколько опытных образцов датчиков с различными рабочими частотами, соответствующими наибольшей чувствительностью к изменению концентраций исследуемых компонент, так как резонансный датчик оказывает более комплексное воздействие (добавляется воздействие магнитным полем) на исследуемы образец, чем воздействие потенциостата. Если испытание этих датчиков хотя бы на одной из частот покажет наличие изменения пропорции в чувствительности к изменениям концентраций, то существует принципиальная возможность построения системы мониторинга концентрации исследуемых компонент, причём селективность этой системы будет тем выше, чем больше разница в пропорции.

Выбор оптимальных датчиков

Выбор набора частот по резудьтатам сканирования образцов с использованием потенциостата носит предварительный характер. Для принятия решения относительно оптимальных рабочих частот двухкомпонентной системы мониторинга концентрации необходимо провести испытания каждого пробного резонансного датчика, но уже не с двумя, а, по крайней мере, с 10-ю образцами с различными концентрациями исследуемых компонент, находящимися в пределах предполагаемого дипазона их изменения. После проведения испытаний всех опытных образцов датчиков можно выбрать лучшую пару, при этом следует отдавать предпочтение датчикам, которые наряду с хорошей чувствительностью, имеют монотонное изменение показаний в соответствии с изменением концентрации контролируемых компонент (для удобства последующей калибровки). Более низкие частоты являются наиболее предпочтительными с точки зрения обеспечения помехозащищённости. Также при выборе датчиков необходимо учитывать конструктивные ограничения

ПРЕДЛАГАЕМЫЕ ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ АППЛИКАЦИИ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ ПРЕЦИЗИОННОЙ МАГНИТОРЕЗОНАНСНОЙ МЕТРОЛОГИИ

Предлагаемые аппликации можно разделить на следующие направления техники и технологии:

1. Оптические накопители информации; кодирование и декодирование; технический контроль качества многослойных дисков; контроль расстояния между слоями в многослойном диске; контроль толщины слоя при послойной полимеризации; лабораторные контрольные системы; контроль электрохимической металлизации мастер- дисков; контроль качества оптического форматирования трёхмерных монолитных дисков; применение двойного дифференциального винта для позиционирования и ориентирования магниторезонансного сенсора; применение привода на гибких тяговых элементах для стабилизации положения сенсора;

2. Датчики уровня, устанавливаемые на наружной стенке тонкостенных ёмкостей; датчики уровня для установки на наружной поверхности пластиковых ёмкостей; датчики уровня для установки на наружной поверхности ёмкостей из магнитных металлов; датчики уровня для установки на наружной поверхности ёмкостей из немагнитных металлов; датчики уровня для установки на наружных цилиндрических поверхностях вертикальных трубопроводов; датчики фиксации наличия жидкости в трубопроводах, устанавливаемые снаружи трубопровода;

3. Герметичные датчики уровня, устанавливаемые непосредственно в ёмкостях с жидкостями; датчики, устанавливаемые на ёмкостях с токопроводящими жидкостями,- не агрессивными; датчики, устанавливаемые на ёмкостях с агрессивными токопроводящими жидкостями; датчики, устанавливаемые на ёмкостях с агрессивными нетокопроводящими жидкостями; датчики, устанавливаемые на ёмкостях с неагрессивными нетокопроводящими жидкостями; датчики, устанавливаемые внутри трубопровода с агрессивными жидкостями; датчики, устанавливаемые внутри трубопровода с неагрессивными жидкостями;

4. Устройства для контроля плотности жидкостей;

5. Устройства для контроля проводимости жидкостей;

6. Устройства для контроля насыщения растворов для щёлочного травления;

7. Устройства для контроля насыщения растворов для кислого травления;

8. Устройства для контроля уровня проводимости воды в трубопроводе;

9. Устройства для контроля концентрации органики в жидкостях;

10. Устройства для контроля параметров для автоматического управления процессом химических покрытий;

11. Устройства для контроля параметров для автоматического управления процессом электрохимических покрытий;

12. Устройства для контроля параметров для автоматического управления процессом покрытий в вакууме;

13. Системы контроля параметров жидкостей в длиномерных технологических ёмкостях и ваннах;

14. Системы магниторезонансного контроля уровня кислотности в жидкости;

15. Системы магниторезонансного контроля уровня щёлочности в жидкости;

16. Системы магниторезонансного контроля уровня концентрации растворённых химических веществ в жидкости;

17. Системы магниторезонансного контроля уровня концентрации кислорода в жидкостях;

18. Системы магниторезонансного контроля уровня концентрации кислорода в жидкостях, содержащих биологические загрязнения;

19. Системы магниторезонансного контроля уровня концентрации кислорода в жидкостях, содержащих химические загрязнения;

20. Системы магниторезонансного контроля уровня концентрации радиоактивных материалов, содержащихся в жидкостях в растворённом виде;

21. Комбинированные системы магниторезонансного контроля для мониторинга остаточных загрязнений в сточных водах перед их сбросом в канализацию;

22. Комбинированные системы магниторезонансного контроля для мониторинга концентрации солей жёсткости в бассейнах промышленных систем кондиционирования воздуха;

23. Комбинированные системы магниторезонансного контроля величины осаждённых на стенках трубопроводов солей жёсткости;

24. Системы магниторезонансного контроля уровня концентрации железа в грунтовых водах, добываемых для производства питьевой воды;

25. Комбинированные системы магниторезонансного контроля концентрации нефтепродуктов в попутных водах нефтепромыслов;

26. Системы магниторезонансного контроля степени заполнения металлами обменной ёмкости ионообменных смол в ионнообменных колоннах;

27. Системы магниторезонансного контроля степени заполнения объёма объёмно- пористых электродов;

28. Системы магниторезонансного контроля концентрации металлов в электролитах гальванических производств;

Как видно из этого материала, количество рабочих реальных аппликаций, в которых принципиально решены проблемы экранирования, настролько велико и сферы их применения настолько разнообразны, что этот факт даёт основание принять варианты метрологических методик для изучения возможности их интеграции в любые другие тестовые и измерительно-контрольные системы.