Analysis and development of a resonant frequency tracking system for a resonant cavity sensor

Abstract

O monitoramento e controle em linha de aplicações industriais são de fundamental importância para garantir a segurança e a credibilidade dos processos de fabricação. A garantia da qualidade depende da confiabilidade dos sensores e instrumentos empregados. Sensores ressonantes têm sido estudados desde a década de 1950, uma vez que seu princípio de funcionamento permite a medição de diferentes grandezas físicas. Um tipo específico de ressonador baseado em cavidades ressonantes tem sido largamente empregado em diversas aplicações, como relatado na literatura. Esta tese está relacionada com a análise e avaliação de um sensor de cavidade ressonante como parte de um sistema de medição com potencial para melhorar as capacidades de monitoramento de sensoriamento em linha em setores distintos da indústria. Duas aplicações industriais são consideradas, sendo a primeira envolvendo a detecção da fração de água em fluxos gás-líquido, na indústria de petróleo e gás, e a segunda envolvendo a detecção de sólidos totais e teor de gordura na indústria de laticínios. Para estas aplicações, foi desenvolvido um sistema de rastreamento da freqüência de ressonância, baseado em uma técnica de malha travada em fase (\textit{Phase-locked loop - PLL}), considerando toda a modelagem do sistema, análise experimental e validação. Além disso, um sistema automático para o processo de padronização do leite em plantas laticinistas, que é uma das etapas mais importantes na produção do leite, também é proposto.

Abstract : The in-line monitoring and control of industrial applications are of fundamental importance to guarantee the safety and fidelity of the manufacturing processes. The assurance of quality depends on the reliability of the sensors and instruments employed. Resonant sensors have been studied since the decade of 1950s, since their working principle allows the measurement of different physical quantities. A specific type of resonator, the so called resonant cavity resonator, has achieved great interest, and researches, regarding its usage in several applications, have been published. This thesis is concerned with the analysis and evaluation of a resonant cavity sensor as part of a measurement system with potential to improve the capabilities of in-line sensing monitoring in distinct industry sectors. Two industrial applications are considered: the detection of water fraction in gas-liquid flows, in oil and gas industry, and the detection of total solids and fat contents in dairy industry. For these applications, we present a resonant frequency tracking system, based on a phase-locked loop technique, including for the whole system modeling, experimental analysis and validation. Furthermore, we explore a project regarding the standardization process in dairy facilities, which is one of the most important stage in milk production.