УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ МАТЕРИАЛОВ И ВЕЩЕСТВ Российский патент 2014 года по МПК G01N27/00 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может использоваться в области неразрушающего контроля веществ, измерения статистических характеристик случайных процессов.

В неразрушающем контроле статистический метод повышает достоверность принятия решения при оценке качества материала, вещества или изделия.

При статистическом анализе используется статистическое среднее вида [Тихонов В. И. Статистическая радиотехника. М.: Радио и связь, 1982, с.32]

$$\theta \left(Vm\right)=m_1\left\{\exp \left[j{V}_m\eta \right]\right\}={\displaystyle {\int }_{-\infty }^{\infty }{W}_1\left(\eta \right)\exp \left(j{V}_m\eta \right)d\eta },(1)$$

называемое характеристической функцией (х.ф.), где V_m=mΔV - параметр х.ф.; η - случайная величина; m₁ - знак математического ожидания. Преобразование выражения (1) приводит его в виду

$${\theta }_1\left(V_m\right)=m_1\left\{\cos \left[V_m\eta \right]\right\}+j{m}_1\left\{\sin \left[V_m\eta \right]\right\}=A\left(V_m\right)+jB\left(Vm\right),(2)$$

где А(V_m), B(V_m) - действительная и мнимая часть х.ф. соответственно.

Известно устройство для измерения плотности вероятности фазы сигнала [Патент 2313101, кл. G01R 25/00. Анализатор плотности вероятности фазы сигнала / Ю.М.Вешкурцев, М.В.Кучеров. Опубл. 20.12.2007. Бюл. №35]. Устройство содержит аналоговый запоминающий блок, два блока выборки и хранения, два АЦП, формирователь стробирующих импульсов, формирователь опорного колебания, управляемый генератор, блок управления, первый и второй накапливающие сумматоры, первый и второй перемножители, оперативный сумматор, первый и второй функциональные преобразователи, дополнительный накапливающий сумматор, отсчетный блок с памятью.

Принцип работы данного устройства состоит в измерении действительной и мнимой частей х.ф. при разных значениях параметра V_m и определении плотности вероятности фазы сигнала в соответствии с алгоритмом [Вешкурцев Ю.М. Прикладной анализ характеристической функции случайных процессов. М: Радио и связь, 2003, с.58].

$$W_1\left(x\right)=\frac{1}{2\pi }+\frac{1}{\pi }{\displaystyle \sum _{m=1}^M\left[A\left(V_m\right)\cos \left(x{V}_m\right)+B\left(V_m\right)\sin \left(x{V}_m\right)\right]}.(3)$$

Недостатком данного устройства измерения является сложность построения схемы преобразования сигнала.

Из известных наиболее близким по технической сущности является устройство контроля материалов и веществ [Вешкурцев Н.Д., Вешкурцев Ю.М. Метрологическая аттестация лабораторного стенда // Наука, образование, бизнес: материалы региональной научно-практической конферененции. - Омск: изд-во «Полиграфический центр КАН», 2011. - С. 241-245], содержащее последовательно включенные источник физического поля, элемент с объектом контроля, преобразователь физического поля, а также первую и вторую цепь преобразования, каждая из которых содержит последовательно соединенные накапливающий усредняющий сумматор и отчетный блок, при этом выход первой цепи подключен к первому входу вычислительного устройства, а выход второй цепи присоединен к второму входу вычислительного устройства, первый выход которого соединен с входами стробирования накапливающих усредняющих сумматоров, объединенных в шину «Время измерения», перемножитель первый, аналого-цифровой преобразователь первый. Устройство контролирует качество материалов и веществ статистическим методом, обладает сложной схемой преобразования сигнала, т.к. содержит такие сложные узлы, как первый и второй функциональные преобразователи.

Задача предлагаемого изобретения - упрощение схемы устройства контроля материалов и веществ.

Указанная задача достигается благодаря тому, что в известное устройство, содержащее последовательно включенные источник физического поля, элемент с объектом контроля, преобразователь физического поля, а также первую и вторую цепь преобразования, каждая из которых содержит последовательно соединенные накапливающий усредняющий сумматор и отсчетный блок, при этом выход первой цепи подключен к первому входу вычислительного устройства, а выход второй цепи присоединен к второму входу вычислительного устройства, первый выход которого соединен с входами стробирования накапливающих усредняющих сумматоров, объединенных в шину «Время измерения», перемножитель первый, аналого-цифровой преобразователь первый, согласно изобретению введены второй аналого-цифровой преобразователь, второй перемножитель, первый управляемый умножитель частоты, последовательно соединенные второй управляемый умножитель частоты и управляемый фазовращатель, выход которого присоединен к второму входу второго перемножителя, выход которого подключен к входу второго аналого-цифрового преобразователя, а первый вход перемножителя объединен с первым входом первого перемножителя и подключен к выходу первого управляемого умножителя частоты, вход которого присоединен к выходу преобразователя физического поля, а выход источника физического поля присоединен к входу второго управляемого умножителя частоты, выход которого подключен к второму входу первого перемножителя, выход которого присоединен к входу первого аналого-цифрового преобразователя, у которого выход присоединен к входу первой цепи преобразования, а вход второй цепи преобразования соединен с выходом второго аналого-цифрового преобразователя, причем управляющие входы первого и второго управляемого умножителя частоты и управляемого фазовращателя объединены в шину «Установка V_m» и подключены к второму выходу вычислительного устройства.

На фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого устройства контроля; на фиг.2 - блок-схема алгоритма вычисления значения показателя качества вещества; на фиг.3 - пример построения треугольника.

Устройство контроля содержит источник физического поля 1, элемент 2 с объектом контроля, преобразователь физического поля 3, первый 4 и второй 5 управляемые умножители частоты, управляемый фазовращатель 6, первый 7 и второй 8 перемножители, первый 9 и второй 10 аналого-цифровые преобразователи, первый 11 и второй 12 накапливающие усредняющие сумматоры, первый 13 и второй 14 отсчетные блоки, вычислительное устройство 15.

Выход источника физического поля 1 связан с входом элемента 2 с объектом контроля, выход которого связан с входом преобразователя физического поля 3, у которого выход присоединен к входу первого 4 управляемого умножителя частоты, а вход второго 5 управляемого умножителя частоты соединен с выходом источника физического поля 1. Выход второго 5 управляемого умножителя частоты подключен к входу управляемого фазовращателя 6 и второму входу первого 7 перемножителя, при этом выход первого 4 управляемого умножителя частоты присоединен к первым входам первого 7 и второго 8 перемножителей. Выходы первого 7 и второго 8 перемножителей подключены соответственно к входам первого 9 и второго 10 аналого-цифровых преобразователей, выходы которых присоединены соответственно к входам первого 11 и второго 12 накапливающих усредняющих сумматоров, в то время как их выходы связаны соответственно с входами первого 13 и второго 14 отсчетных блоков. Выход первого 13 отсчетного блока подключен к первому входу вычислительного устройства 15, а выход второго 14 отсчетного блока подключен к второму входу вычислительного устройства 15, у которого первый выход присоединен к стробирующим входам накапливающих усредняющих сумматоров 11, 12, причем эти входы объединены шиной «Время измерения». Второй выход вычислительного устройства 15 подключен к управляющим входам первого 4 и второго 5 управляемых умножителей частоты и управляемого фазовращателя 6, причем эти входы объединены шиной «Установка V_m».

Контроль основан на анализе взаимодействия физического поля с объектом контроля, например веществом. Источником физического поля 1 может служить генератор электромагнитного излучения или элемент свечения (лампа накаливания, светодиод и др.), подключенный к генератору переменного напряжения.

Преобразователь физического поля 3 согласован с типом источника излучения, а при использовании лампы накаливания или светодиода представляет собой фотодиод, включенный в схему фотоприемника [Захаренко В.А., Колесникова Т.П., Шкаев А.Г. Расчет и проектирование оптико-электронных приборов. Учебное пособие. - Омск: из-во ОмГТУ, 2002, с.51].

Первый 4 и второй 5 управляемые умножители частоты имеют исказитель сигнала, перестраиваемый генератор, смеситель частот и фильтр. Они имеют много схем построения и работают в соответствии с описанием, приведенным в книге [Вешкурцев Ю.М. Прикладной анализ характеристической функции случайных процессов. - М.: Радио и связь, 2003, с.115-116].

Управляемый фазовращатель 6 задает сдвиг фаз, равный 90°, между сигналами на выходах первого 4 и второго 5 управляемых умножителей частоты. Этот фазовый сдвиг равен

$$\varphi =V_m\omega \tau ,(4)$$

где V_m - параметр х.ф.; ω - круговая частота сигнала на выходе управляемого умножителя частоты; τ=90°/ωV_m - постоянная времени линии задержки. В зависимости от схемы управляемого умножителя частоты в формуле (4) параметр V_m может быть переменным, т.е. V_m=var, или постоянным V_m=const, например, V_m=1. Линия задержки сигнала строится по известной схеме [Баев Е.Ф., Бурылин Е.И. Миниатюрные электрические линии задержки. - М.: Сов. Радио, 1977, с.217-220].

Накапливающие усредняющие сумматоры 11 и 12 предназначены для получения отсчетов х.ф. путем суммирования кодов на выходах аналого-цифровых преобразователей 9 и 10 соответственно. Сумматоры выполнены на основе микросхем из справочника [Якубовский С.В., Барканов Н.А., Кудряшов Б.П. и др. Аналоговые и цифровые интегральные схемы. - М.: Сов. Радио, 1979, с.233]. Каждый из накапливающих сумматоров 11 и 12 содержит сумматор, регистр памяти, запись в который происходит при действии импульса на входе синхронизации с уровнем лог.«1», поступающей на вход стробирования сумматора, одновибратор, обеспечивающий сброс содержимого регистра памяти при появлении переднего фронта импульса на входе стробирования.

Отсчетные блоки 13 и 14 обеспечивают цифровую индикацию результатов контроля и содержат буферный регистр для связи с вычислительным устройством 15.

Вычислительное устройство 15 может быть выполнено в виде микроЭВМ, построенной на базе микропроцессорного комплекта К 588 и памяти К 537 из справочника [Якубовский С.В., Барканов Н.А., Кудряшов Б.П. и др. Аналоговые и цифровые интегральные схемы. - М.: Сов. Радио, 1979. - 469 с].

Устройство контроля материалов и веществ работает следующим образом.

После включения питания происходит очистка сумматоров, регистров памяти накапливающих усредняющих сумматоров 11, 12 и буферных регистров отсчетных блоков 13, 14. На первом выходе вычислительного устройства 15 появляется импульс длительностью Т - время измерения. На втором выходе вычислительного устройства 15 устанавливается код, соответствующий первому значению параметра V_m, т.е. единице.

Вещество помещается в элемент 2 и взаимодействует с электромагнитным полем светового диапазона волн, модулированных по амплитуде. В результате взаимодействия поля с веществом на молекулярном уровне происходит случайное изменение основных параметров электромагнитной волны, т.е. вероятностных характеристик физического поля. Прошедшие сквозь вещество электромагнитные волны поступают в преобразователь физического поля 3, где они преобразуются в электрический сигнал с частотой, связанной с частотой модуляции амплитуды волны физического поля. Вероятностные характеристики мгновенных значений этого сигнала зависят от вещества.

Пусть математическая модель электрического сигнала имеет вид

U(t)=(U₀+ε)cos(ωt+η),

где η- случайное изменение фазы сигнала, ε - случайное изменение амплитуды сигнала, ω - круговая частота модуляции амплитуды волны физического поля. С помощью первого 4 управляемого умножителя частоты электрический сигнал преобразуется в напряжение вида

$$u_1\left(t\right)=U_1\cos \left(V_m\omega t+V_m\eta \right),(5)$$

а на выходе второго 5 управляемого умножителя частоты имеем

$$u_2\left(t\right)=U_2\cos \left(V_m\omega t\right),(6)$$

если источник физического поля 1 подключен к генератору переменного напряжения

$$u_{Г}\left(t\right)=U_{Г}\cos (\omega t).(7)$$

Управляемый фазовращатель 6 добавляет в сигнал (6) фазовый сдвиг (4), после чего получаем

$$u_{З}\left(t\right)=U_{З}\cos \left(V_m\omega t+\varphi \right).(8)$$

При любом Vm фазовый сдвиг равен 90°.Тогда

$$u_{З}\left(t\right)=U_{З}\sin \left(V_m\omega t\right).(9)$$

В первом 7 перемножителе перемножаются сигналы (5), (6), а во втором 8 перемножаются сигналы (5), (9). На вход первого 9 аналого-цифрового преобразователя подается сигнал

$$u_{п1}\left(t\right)=\frac{1}{2}{U}_1{U}_2\cos \left(V_m\eta \right)+\frac{1}{2}{U}_1{U}_2\cos \left(2V_m\omega t+V_{m\eta }\right),(10)$$

а на вход второго 10 аналого-цифрового преобразователя подается сигнал

$$u_{п2}\left(t\right)=\frac{1}{2}{U}_1{U}_2\sin \left(V_m\eta \right)+\frac{1}{2}{U}_1{U}_2\sin \left(2V_m\omega t+V_{m\eta }\right),(11)$$

Амплитуды сигналов (10), (11) выберем равными единице, тогда $${\text{U}}_{\text{1}}={\text{U}}_{\text{2}}={\text{U}}_{\text{3}}=\sqrt{2}$$

Цифровой код, равный мгновенному значению сигнала (10), с выхода первого 9 аналого-цифрового преобразователя поступает в первый 11 накапливающий усредняющий сумматор, а цифровой код, равный мгновенному значению сигнала (11), поступает во второй 12 накапливающий усредняющий сумматор. По завершении N выборок мгновенных значений сигналов в накапливающем усредняющем сумматоре 11 получают оценку действительной части характеристической функции

$$A\left(V_m\right)=\frac{1}{N}{\displaystyle \sum _{i=1}^N\cos \left(V_m{\eta }_i\right)}$$

при V_m=1, а в накапливающем усредняющем сумматоре 12 - оценку мнимой части х.ф.

$$B\left(V_m\right)=\frac{1}{N}{\displaystyle \sum _{i=1}^{N}sim\left(V_m{\eta }_i\right)}$$

при V_m=1, т.к. среднее значение быстроосциллирующего гармонического колебания равно нулю, т.е.

$$\frac{1}{N}{\displaystyle \sum _{i=1}^N\cos \left(2V_m\omega t_i+V_m\eta \right)=0}$$ , $$\frac{1}{N}{\displaystyle \sum _{i=1}^N\sin \left(2V_m\omega t_i+V_m\eta \right)=0}$$

Задним фронтом импульса «Время измерения» оценки действительной и мнимой частей х.ф. записываются в отсчетные блоки соответственно первый 13 и второй 14.

После этого на втором выходе вычислительного устройства 15 устанавливается код, соответствующий значению параметра V_m=2. На первом выходе вычислительного устройства 15 появляется импульс длительностью T - время измерения. Работа устройства протекает аналогично вышеописанной. Так повторяется m раз, где V_m=1,2,3,…,m. По завершении работы устройства в первом отсчетном блоке 13 записаны оценки действительной части х.ф.

А(1),А(2),А(3),…,A(V_m)

а во втором отсчетном блоке 11 записаны оценки мнимой части х.ф.

B(1),B(2),B(3),…,B(V_m).

Эти значения оценок х. ф. поступают в память вычислительного устройства 15, где хранятся известные оценки А(0) и В(0), вытекающие из анализа основных свойств характеристической функции. В частности, известны равенства А(0)=1, В(0)=0 [Вешкурцев Ю.М. Прикладной анализ характеристической функции случайных процессов. - М.: Радио и связь, 2003, с.48].

Массив оценок характеристической функции, хранящийся в памяти вычислительного устройства 15, по окончании процесса измерения представляет собой наборы оценок действительной и мнимой частей характеристической функции, которые в соответствии с блок-схемой алгоритма (фиг.2) по известным формулам [Вешкурцев Ю.М. Прикладной анализ характеристической функции случайных процессов. - М.: Радио и связь, 2003, с.62, 23] позволяют получить начальные моменты распределения первого m_1, второго m₂, третьего m₃, четвертого m₄ и центральные моменты распределения второго M₂, третьего M₃ четвертого M₄ порядков. После этого центральные моменты распределения используются для вычисления показателя качества вещества.

Качество вещества определяется площадью треугольника, построенного в прямоугольной трехмерной декартовой системе координат. Вершины треугольника совпадают со значениями центральных моментов распределения, отложенных по осям координат (фиг.3). По известной формуле [Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. - М.: Гос. изд. тех. - теор. Литературы, 1956, с.166] находят площадь

$$S=\sqrt{p\left(p-a\right)\left(p-b\right)\left(p-c\right)}$$ ,

где $$p=\frac{1}{2}\left(a+b+c\right)$$ , a,b,c - стороны треугольника (фиг.3). Эти стороны равны: $$a=\sqrt{M_2^2+M_3^2}$$ ; $$a=\sqrt{M_2^2+M_4^2}$$ ; $$c=\sqrt{M_3^2+M_4^2}$$ . Вычислительное устройство 15 рассчитывает площадь треугольника в соответствии с блок-схемой алгоритма (фиг.2). Площадь треугольника количественно характеризует качество вещества, при этом ее значения определяют границы лингвистических термов: «хорошее», «удовлетворительное», «неудовлетворительное» качество.

Таким образом, введение первого и второго управляемых умножителей частоты, управляемого фазовращателя, второго перемножителя и второго аналого-цифрового преобразователя с соответствующими связями позволяет упростить схему устройства контроля за счет выполнения функциональных преобразователей синус и косинус в аналоговой форме.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов и веществ, измерения статистических характеристик случайных процессов. Устройство контроля материалов и веществ содержит последовательно включенные источник физического поля, элемент с объектом контроля, преобразователь физического поля, а также первую и второю цепь преобразования, каждая из которых содержит последовательно соединенные накапливающий усредняющий сумматор и отсчетный блок, при этом выход первой цепи подключен к первому входу вычислительного устройства, а выход второй цепи присоединен к второму входу вычислительного устройства, первый выход которого соединен с входами стробирования накапливающих усредняющих сумматоров, объединенных в шину «Время измерения», перемножитель первый, аналого-цифровой преобразователь первый и, кроме того, аналого-цифровой преобразователь второй, второй перемножитель, первый управляемый умножитель частоты, последовательно соединенные второй управляемый умножитель частоты и управляемый фазовращатель, выход которого присоединен к второму входу второго перемножителя, выход которого подключен к входу второго аналого-цифрового преобразователя, а первый вход перемножителя объединен с первым входом первого перемножителя и подключен к выходу первого управляемого умножителя частоты, вход которого присоединен к выходу преобразователя физического поля, а выход источника физического поля присоединен к входу второго управляемого умножителя частоты, выход которого подключен к второму входу первого перемножителя, выход которого присоединен к входу первого аналого-цифрового преобразователя, у которого выход присоединен к входу первой цепи преобразования, а вход второй цепи преобразования соединен с выходом второго аналого-цифрового преобразователя, причем управляющие входы первого и второго управляемого умножителя частоты и управляемого фазовращателя объединены в шину «Установка V_m» и подключены к второму выходу вычислительного устройства. Технический результат заключается в упрощении схемы устройства контроля качества материалов и веществ. 3 ил.

Устройство контроля материалов и веществ, содержащее последовательно включенные источник физического поля, элемент с объектом контроля, преобразователь физического поля, а также первую и вторую цепь преобразования, каждая из которых содержит последовательно соединенные накапливающий усредняющий сумматор и отсчетный блок, при этот выход первой цепи подключен к первому входу вычислительного устройства, а выход второй цепи присоединен к второму входу вычислительного устройства, первый выход которого соединен с входами стробирования накапливающих усредняющих сумматоров, объединенных в шину «Время измерения», перемножитель первый, аналого-цифровой преобразователь первый, отличающийся тем, что в него введены второй аналого-цифровой преобразователь, второй перемножитель, первый управляемый умножитель частоты, последовательно соединенные второй управляемый умножитель частоты и управляемый фазовращатель, выход которого присоединен к второму входу второго перемножителя, выход которого подключен к входу второго аналого-цифрового преобразователя, а первый вход перемножителя объединен с первым входом первого перемножителя и подключен к выходу первого управляемого умножителя частоты, вход которого присоединен к выходу преобразователя физического поля, а выход источника физического поля присоединен к входу второго управляемого умножителя частоты, выход которого подключен к второму входу первого перемножителя, выход которого присоединен к входу первого аналого-цифрового преобразователя, у которого выход присоединен к входу первой цепи преобразования, а вход второй цепи преобразования соединен с выходом второго аналого-цифрового преобразователя, причем управляющие входы первого и второго управляемого умножителя частоты и управляемого фазовращателя объединены в шину «Установка V_m» и подключены к второму выходу вычислительного устройства.