Power Point presentation

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



7. 7
Risultati sperimentali
Valore reale Vaore misurato Errore
d[m] Δ [ns] d[m] e [m]
0.53 6.0 0.56 + 0.03
1.03 9.0 1.00 + 0.03
1.53 12.5 1.53 0.00
2.03 16.0 2.06 + 0.03
2.53 19.0 2.50 + 0.03
3.03 22.5 3.03 0.00
3.53 26.0 3.55 + 0.02
3.88 28.0 3.85 - 0.03

8. 8
Implementazione in ABS
Descrizione dell’area di misura

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

10. 10
Implementazione in ABS

11. 11
Elaborazione dei risultati
1. Stima della distanza (metodo 1) : distanza tra 2 massimi successivi
0 0.5 1 1.5
x 10
-6
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
t [s]
Ampiezza[V]
Segnale di riferimento
Segnale ricevuto 1 (amplificato)
0 0.5 1 1.5
x 10
-6
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
t [s]
Ampiezza[V]
Segnale di riferimento
Segnale ricevuto 2 (amplificato)
0 0.5 1 1.5
x 10
-6
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
t [s]
Ampiezza[V]
Segnale di riferimento
Segnale ricevuto 3 (amplificato)
PROVA 1 2 3
Potenza di trasmissione
[dBm]
25 30 30
Distanza stimata [m] 5.5928 5.4462 4.6880
Deviazione standard [m] 1.5446 0.5667 0.9688

12. 12
Elaborazione dei risultati
2. Stima della distanza (metodo 2) : Stima della massima cross-correlazione
tra il segnale trasmesso e quello ricevuto.
 dtyxtRxy )()(*)(  


2
])(max[arg cktR
d
cxy 

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5
x 10
-6
-0.05
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
t [s]
Rxy
(t)[V2
s]

13. 13
Elaborazione dei risultati
PROVA 1 2 3
Potenza di trasmissione
[dBm]
25 30 30
Distanza stimata [m] 4.4069 4.3770 4.4369
Affinamento del metodo di stima
9.8 9.82 9.84 9.86 9.88
x 10
-8
0.221
0.2212
0.2214
0.2216
0.2218
0.222
0.2222
t [s]
Rxy
(t)[V2
s]
Cross-correlazione
Interpolazione parabolica

14. 14
Elaborazione dei risultati
Risultati
PROVA 1 2 3
Potenza di trasmissione
[dBm]
25 30 30
Distanza stimata [m] 4.4016 4.3872 4.4363

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 3a 11 2b
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:
m0.181e m0.2005h 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

23. 23
Ottimizzazione del sistema d’antenne

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.