Sviluppo di un sistema a microonde finalizzato alla misura del livello dell'acciaio in ambito siderurgico
1. Università degli Studi di Trieste
Dipartimento di Ingegneria e Architettura
1
Laureando: Shady Kalbouneh
Sviluppo di un sistema a microonde
finalizzato alla misura del livello
dell’acciaio in ambito siderurgico
Relatore: Prof. Massimiliano Comisso
Correlatore: Ing. Andrea Polo
2. Sommario
2
• Obiettivi
• Scelta del sistema
• Prove in laboratorio
• Implementazione del sistema in ABS
• Progettazione di antenne a tromba piramidale e circolare
• Considerazioni sui sistemi disponibili sul mercato
• Conclusioni
3. 3
Obiettivi
• Verifica della capacità del metallo fuso in acciaieria di
riflettere il campo elettromagnetico.
• Implementazione di un sistema radar in grado di fornire
informazioni attendibili sul livello dell'acciaio presente
nelle siviere che trasportano il metallo fuso.
• Ottimizzazione del sistema d’antenne per sviluppi futuri.
4. 4
Scelta del sistema
Radar ad impulsi Radar in onda continua
c
d
t
2
2
tc
d
)(:: rt fftWT
W
fT
W
ffT
t brt .).(
5. 5
Descrizione del sistema scelto
Radar ad impulsi bistatico
Generatore di segnali (8.3 GHz)
Isolatore
Accopiatore direzionale
Convertitore di frequenza
(8.3 GHz 200 MHz)
Oscilloscopio (200 MHz)
Antenne a tromba (16.1 dB)
6. 6
Prove in laboratorio
d = [0.53,1.03,1.53,2.03,2.53,3.03,3.53,3.88]
Impatto delle lunghezza delle
strutture guidanti (cavi coassiali e
guide d’onda) nelle catene di
trasmissione e ricezione nel calcolo
della distanza
c
c
TcRcRgTg
k
c
d
c
LLLL
c
d
t
22
2
).( cktc
d
9. 9
Implementazione in ABS
Insieme di travi e componenti di connesione in alluminio relativamente leggere in
grado di garantire una buona robustezza e stabilità al sistema, garantisce inoltre la
mobiltà delle antenne dalla zona critica di misura
Progettazione del sistema di supporto
15. 15
Applicazione del metodo della cross-correlazione su diverse
sotto-sequenze contenenti un certo numero di impulsi.
Numero impulsi d[m] σ [m] d[m] σ[m] d[m] σ [m]
Misura 1 1 2 2 3 3
8 4.4069 - 4.4069 - 4.4669 -
4 4.4069 0.0424 4.3920 0.1060 4.4519 0.0636
2 4.4369 0.0979 4.4519 0.1669 4.4594 0.0450
1 4.5718 0.6412 4.5981 0.6751 10.0468 4.7310
Accuratezza (I)
16. 16
Accuratezza (II)
Considerazioni sulla misura 3
• Campioni ottenuti nel caso si usino 8 sottosequenze di 1 impulso:
C1=4.5568 m, C2=4.4669 m, C3=4.4369 m, C4=14.4200 m, C5=14.1502 m,
C6=12.7712 C7=14.4500 m, C8=11.1223 m (dal quarto campione in poi le
stime sono inaffidabili (d=10.0468 m e σ = 4.7310 m)).
• Motivazione
8
CC3
17. 17
Accuratezza (III)
Osservazioni
1. la media sulle 8 sottosequenze di un impulso non porta ad un risultato
soddisfacente
2. la cross-correlazione su sotto-sequenze più lunghe (con più impulsi) è più
accurata (minor deviazione standard) e può portare risultati accettabili anche
se il numero di stime affidabili è minore della metà delle stime totali.
18. 18
Ottimizzazione del sistema d’antenne
Progettazione di un’antenna a tromba piramidale per la banda X
I dati necessari per la progettazione di un’antenna sono :
• Il guadagno desiderato 20 dB
• La frequenza di lavoro 10 GHz
• Le dimensioni della guida d’onda utilizzata come feed WR90 ( 23 x 10 mm)
0G
0f
19. 19
Ottimizzazione del sistema d’antenne
Progettazione di un’antenna a tromba piramidale per la banda X
L’obiettivo consiste nella determinazione delle dimensioni dell’apertura
che porteranno al guadagno desiderato ( )1a 1b e h hpep
20. 20
Ottimizzazione del sistema d’antenne
Progettazione di un’antenna a tromba piramidale per la banda X
21 3a 11 2b
I valori di che portano ad una direttività ottimale sono:1a 1b
e
1
8 3
2
0Gh
Definendo:
22
0
1
G
4
1
4
1
2
1
1
2
1
1
a
aa
b
bbpp he
he
21. 21
Ottimizzazione del sistema d’antenne
Il guadagno dell’antenna può essere messo in relazione con la sua
area fisica e considerando e si arriva alla
seguente formula di progettazione:
1
1
6
1
2
3
2
122 3
2
0
2
0
2
GaGb
h 2 e 1
Partendo dal valore iniziale , si risolve l’equazione in modo
iterativo, dopodichè si trovano le dimensioni dalle precedenti
equazioni.
1
22. 22
Ottimizzazione del sistema d’antenne
Partendo dai dati iniziali e risolvendo l’equazione precedente troviamo:
m0.181e m0.2005h m0.13431 a m0.10421 b
m0.1567 he pp
Simulazione con SEMCAD: valore del guadagno : 19.88 dB
Ottimizazione (lunghezza aumentata di 10 mm) 20 dB
24. 24
Conclusioni
• Verificata la capacità del metallo fuso in siviera di riflettere il
campo elettromagnetico.
• Implementato un sistema a microonde capace di fornire misure
attendibili sul livello di acciaio.
• Possibili migliorie si possono ottenere disponendo di sequenze
temporali più lunghe, eseguendo una precisa taratura in
laboratorio con distanze note ed avendo la disponibilità di
potenze più elevate.
• Progettate un insieme di antenne per sviluppi futuri.