рабочая полоса частот -- 56.. .68 ГГц;
спектральная плотность мощности шума (СПМШ) - 1048 Вт/Гц;
неравномерность СПМШ -- ± 1,5 дБ;
интегральная мощность -- 10'10 Вт/см2.
Рис. 2. Спектры Фурье разложения флуктуаций дифференциальных температур промежуточной среды: а - соль каменная поваренная пищевая; б - сода пищевая
Флуктуации дифференциальной температуры измерялись в течение 25 минут без воздействия на исследуемый образец внешнего шумового излучения, 25 минут при воздействии внешнего шумового излучения и 25 минут после внешнего шумового воздействия. Полученные значения флуктуаций дифференциальных температур визуально различать (идентифицировать) сложно из-за малых различий, поэтому определялись значения дисперсии, автокорреляции и коэффициентов преобразований Фурье для каждого из этих значений. При этом максимальная погрешность результатов не превышает 18%.
На рис. 2, в качестве примера, показаны коэффициенты преобразований Фурье флуктуаций дифференциальных температур промежуточной среды (дистиллированной воды) для соли каменной поваренной пищевой и пищевой соды. Из визуального сравнения спектров Фурье разложения можно легко идентифицировать исследуемые объекты.
Полученные экспериментальные значения флуктуаций дифференциальных температур для разных сыпучих веществ непосредственно сравнивать сложно из-за малых различий, поэтому определялись значения дисперсии и коэффициентов преобразований Фурье для каждого из этих значений. Сравнение значений дисперсий и коэффициентов преобразований Фурье позволяет визуально различать как каждое из сыпучих веществ, так и смеси таких веществ. Идентификация сыпучих веществ осуществляется сравнением полученных данных исследуемого вещества с библиотекой данных для известных веществ («эталонов»), полученных на той же измерительной установке при таких же условиях.
На рис. 3 приведены гистограммы дисперсии (а) и относительной величины первых гармоник спектров Фурье (б) флуктуаций дифференциальных температур промежуточной среды для исследуемых веществ: 1 -- Соль поваренная пищевая каменная йодированная; 2 -- Соль для ванн натуральная морская; 3 -- Соль каменная поваренная пищевая; 4 -- Сода пищевая.
Характерной особенностью сыпучих материалов является способность образовывать естественную насыпь в виде конуса. Угол, образованный поверхностью насыпи к горизонту, называется углом естественного откоса, который тем меньше, чем лучше сыпучесть материала. Учитывая, что угол естественного откоса является обобщающим параметром характеризующего конкретное вещество в конкретных условиях окружающей среды, то были определены эти углы исследуемых сыпучих материалов. На рис. 4 приведены фотографии конусов исследуемых материалов.
На рис. 5 приведена зависимость относительных величин первых гармоник разложения Фурье от угла естественного откоса. Видно, что изменение угла естественного откоса ф от 34° до 38° связано с изменением (увеличением в 7 раз) относительной величины первой гармоники.
Рис. 3. Гистограммы дисперсии (а) и относительной величины первых гармоник спектров Фурье (б) флуктуаций дифференциальных температур промежуточной среды для исследуемых веществ. Гистограммы, окрашены в красный цвет - с внешним шумовым сигналом, гистограммы синим цветом - без внешнего воздействия
Рис. 4. Естественные насыпи а) - соль каменная поваренная пищевая; б) - соль поваренная пищевая каменная йодированная; в) - соль для ванн натуральная морская; г) - сода пищевая
Рис. 5. Относительные величины первых гармоник разложения Фурье для флуктуаций дифференциальной температуры промежуточной среды от угла естественного откоса исследуемых материалов
Учитывая, что угол естественного откоса, измеряется с точностью не более ± 1,5°, то этот параметр не может быть использован для идентификации сыпучих веществ с относительно близкими физико-химическими параметрами.
Рис. 6. Зависимость относительных величин первых гармоник спектров Фурье флуктуаций дифференциальной температуры промежуточной среды от объемного содержания соли и соды в смеси сыпучих веществ. 1 - без внешнего воздействия; 2 - с внешним воздействием
Некоторые сыпучие материалы, сильно отличающиеся гранулометрическим составом, могут быть идентифицированы сравнительно легко, особенно при помощи дополнительной шумовой подсветки. Поэтому в работе проведены исследования смеси сыпучих материалов, которые отличаются по гранулометрическому составу, а именно, соли каменной пищевой и соды пищевой.
Рис. 7. Зависимость дисперсии от процентного содержания по объему соли и соды в смеси сыпучих веществ при наличии внешнего шумового воздействия
На рис. 6 показаны зависимости относительных величин первых гармоник спектров Фурье флуктуаций дифференциальных температур промежуточной среды от процентного содержания по объему смеси сыпучих веществ с воздействием на смесь внешнего шумового сигнала и без него.
На рис. 7 приведена зависимость дисперсии флуктуаций дифференциальной температуры промежуточной среды от процентного содержания по объему соли и соды в смеси сыпучих веществ при наличии внешнего шумового воздействия.
Выводы из данного исследования. Полученные экспериментальные результаты определяются флуктуациями промежуточной среды, в которую помещаются исследуемые вещества в диэлектрической таре. Сами флуктуации зависят, в том числе, и от характерных тепловых излучений, свойственных конкретному сыпучему веществу. Поэтому на флуктуации промежуточной среды должны влиять (через тепловое излучение) гранулометрический состав вещества, расстояния между частицами, плотность упаковки и другие свойства дисперсной среды, а кроме того и электрофизические его свойства. В том случае, когда исследуемые вещества значительно различаются по своим параметрам, то их можно идентифицировать без применения подсветки. Но если параметры мало отличаются друг от друга, то необходимо увеличить величины флуктуаций промежуточной среды. Учитывая, что для увеличения флуктуаций (контрастности) используется внешнее шумовое излучение (подсветка), которое взаимодействует с исследуемым веществом. При этом разупорядоченность вещества (дисперсия) при использовании подсветки может как увеличиваться, что видно на рис. 3 а для соли поваренной пищевой каменной йодированной, так и уменьшаться -- для остальных веществ. Амплитуда гармоник спектра Фурье для всех веществ при внешнем воздействии только увеличивается. Дисперсность вещества определяет на сколько амплитуда увеличивается. При минимальном размере частиц вещества и их однородности (сода пищевая) это увеличение максимальное, а при больших частицах с большим разбросом по размерам -- увеличение амплитуды гармоник при внешнем воздействии уменьшается.
Для смеси сыпучих веществ с различными размерами частиц существуют такие пропорции этих частиц, при которых их взаимодействие оказывает значительно большее влияние на флуктуации промежуточной жидкости и соответственно на амплитуду гармоник спектров Фурье, чем для однородных сыпучих материалов (рис. 5). С другой стороны, можно подобрать пропорции компонент смеси из частиц с разными размерами частиц, при которых разупо- рядоченность будет максимальной (рис. 6).
Показано, что методика дистанционной идентификации различных веществ, основанная на измерениях флуктуаций дифференциальной температуры промежуточной среды (дистиллированной воды), в которую помещены исследуемый образец и эталон, находящиеся в одинаковой диэлектрической таре, может быть использована для сыпучих веществ. Использование дополнительной внешней «подсветки» позволяет различать вещества, имеющие близкие физико-химические значения параметров. Идентификация осуществляется сравнением параметров исследуемого образца с библиотекой «портретов» известных веществ, измеренных при одинаковых условиях.
Непосредственное сравнение параметров флуктуаций дифференциальной температуры для различных исследуемых веществ затруднено, поэтому сравнение и идентификация осуществляется по значениям дисперсии или по спектрам Фурье разложения этих флуктуаций.
Показано, что использования для дистанционной идентификации сыпучих веществ углов естественного откоса проблематично, из-за того, что эти углы могут быть измерены с точностью не более ± 1,5°, а для большинства самых различных веществ значения углов естественного откоса находятся в диапазоне 33.. .39°. Таким образом по углам естественного откоса можно различать только вещества, предельно большие различия по гранулометрическому и химическому составу.
Показана возможность различать не только однородные сыпучие вещества, но и смеси таких веществ. При этом сравнение проводится по дисперсии и по спектрам Фурье одновременно.
флуктуация температура излучение сыпучий
Список литературы
1. Лифшиц И.М., Градескул С.А., Пастур Л.А. Введение в теорию неупорядоченных систем : монография. Москва, 1982. С. 360.
2. Лошицький П.П., Мамаев В.Н. Дослідження змін властивостей води і водних розчинів хлориду натрію при дії ВВЧ-випромінювання нетеплової інтенсивності. Медична інформатика та інженерія. 2008. № 1. С. 53-60.
3. Лошицкий П.П., Устенко К.С. Дистанционная идентификация жидкостей в закрытых диэлектрических емкостях. Modern engineering and innovative technologies. 2020.
4. Уоттерсон Д.Г. Роль воды в функции клетки. Биофизика. 1991. Т. 36. Выпуск 1. С. 5-30.
5. Волокитин А.И. Тепловое излучение на наноуровне. Теория и приложения : монография. Самара, 2009. С. 240.
6. Шарков Е.А. Радиотепловое дистанционное зондирование Земли: физические основы : в 2 т. Москва, 2014. Т. 1. С. 438-477.
7. ОФС 1.4.2.0016.15. Степень сыпучести порошков. Москва, 2020.
8. Горбачев К.П., Краснов Е.Г., Субботницкий В.В. Основы механики деформируемого твердого тела. Владивосток, 1998. С. 26.
References
1. Lifshits, I.M., Gradeskul, S.A., & Pastur, L.A. (1982). Vvedenie v teoriyu neuporyadochennyih sistem [Introduction to the theory of disordered systems]. Moscow. (in Russian)
2. Loshitskiy, P.P., & Mamaev, V.N. (2008). Doslidzhennya zmin vlastivostey vodi i vodnih rozchiniv hloridu natriyu pri diyi VVCh-viprominyuvannya neteplovoyi intensivnosti [Investigation of changes in the properties of water and aqueous solutions of sodium chloride under the action of UHF radiation of non-thermal intensity]. Medichna Informatika ta Inzheneriya, vol. 1, pp. 53-60.
3. Loshitskiy, P.P., & Ustenko, K.S. (2020). Distantsionnaya identifikatsiya zhidkostey v zakryityih dielektricheskih emkostyah [Remote identification of liquids in closed dielectric containers]. Modern engineering and innovative technologies, vol. 12-03, pp. 15-24.
4. Uotterson, D.G. (1991). Rol vodyi v funktsii kletki [Role of water in cell function]. Biofizika. T. 36, vol. 1, pp. 5-30.
5. Volokitin, A.I. (2009). Teplovoe izluchenie na nanourovne. Teoriya i prilozheniya: monografiya [Thermal radiation at the nanoscale]. Samara. (in Russian)
6. Sharkov, E.A. (2014). Radioteplovoe distantsionnoe zondirovanie Zemli: fizicheskie osnovyi [Thermal radio remote sensing of the Earth: physical foundations]. Moscow, T. 1, pp. 438-477. (in Russian)
7. OFS 1.4.2.0016.15. Stepen syipuchesti poroshkov [The degree of flowability of powders]. Moscow, 2020. (in Russian)
8. Gorbachev, K.P., Krasnov, E.G., & Subbotnitskiy, V.V. (1998). Osnovyi mehaniki deformiruemogo tverdogo tela [Fundamentals of Solid Mechanics]. Vladivostok. (in Russian)