Способ оценки текущего состояния электровакуумных приборов сверхвысокой частоты и комплекс для его осуществления Российский патент 2024 года по МПК H01J25/50 G01R19/165 

Изобретение относится к способу комплексной оценки параметров электровакуумных приборов (далее - ЭВП) сверхвысокой частоты (далее - СВЧ) при функционировании совместно с системами электрического питания на этапах производства (входной контроль, настройка, регулировка, технологический прогон, приемосдаточные испытания, периодические испытания, квалификационные испытания), эксплуатации.

В настоящее время действует ОСТ11-0354-86 «Магнетроны. Методы измерения электрических параметров», в пункте 12 которого указан метод измерения 2-е помощью специальных измерителей флуктуаций. Однако отсутствует конкретный способ измерения электрических параметров ЭВП СВЧ, в том числе магнетронов, и методика прогнозирования надежности ЭВП СВЧ.

Цель данного изобретения состоит в разработке такого способа и реализующего его комплекса, которые обеспечивают технический результат в виде оценки текущего состояния ЭВП СВЧ.

Этот технический результат достигается благодаря первому объекту настоящего изобретения, предлагающему способ оценки текущего состояния ЭВП СВЧ, включающий этапы, на которых для включенного в измерительный СВЧ тракт ЭВП СВЧ измеряют входные и выходные напряжения и/или токи ЭВП СВЧ с помощью по меньшей мере одного датчика, оцифровывают мгновенные значения напряжений с датчиков в аналогово-цифровом преобразователе, передают оцифрованные значения вычислительному устройству с программным обеспечением, накапливают в вычислительном устройстве значения напряжений и/или токов, проводят в вычислительном устройстве математические операции с цифровыми значениями напряжений и/или токов, сравнивают значения напряжений и/или токов и результаты их математической обработки с заданными критериями для оценки характера изменения этих токов и напряжений во времени.

Этот же технический результат достигается благодаря второму объекту настоящего изобретения, предлагающему комплекс для оценки текущего состояния ЭВП СВЧ, содержащий датчик тока, датчик напряжения, измеряющие значения тока и напряжения ЭВП СВЧ, детектор огибающей ВЧ колебаний на выходе ЭВП СВЧ, соединенные с аналого-цифровым преобразователем, соединенным с вычислительным устройством с программным обеспечением, выполненным с возможностью сбора и накопления измеренных цифровых значений напряжений и тока, проведения математических операций с указанными цифровыми значениями напряжений и тока и сравнения их с заданными критериями для оценки изменения этих напряжений и тока во времени.

Заявленная цель изобретения достигается благодаря измерению электрических параметров функционирования ЭВП СВЧ, определению их стабильности, дисперсии, предельных значений, тенденции и скорости изменения, параметров их распределений, соотношений и корреляционных зависимостей друг от друга, а также от условий внешних факторов. Предлагаемый способ благодаря применению процедур математической обработки полученного массива информации позволяет в соответствии с разработанной моделью прогнозировать надежность ЭВП СВЧ путем анализа рассчитанных данных на основании измеренных и накопленных параметров - критериев соответствия установленным требованиям. В случае безнакального магнетрона такими параметрами является напряжение начала генерации, скос плоской части модулирующего импульса напряжения, флуктуации фронта радиоимпульса (конкретизация метода 2 пункта 12 ОСТ11-0354-86 «Магнетроны. Методы измерения электрических параметров»), выброс импульса напряжения на фронте, ток начала генерации.

Оценка текущего состояния проводится путем сравнения измеренных параметров и их изменения во времени в процессе измерения с заданными критериями качества ЭВП СВЧ. Сравнение производится в автоматическом режиме благодаря разработанному алгоритму вычислительного устройства.

Изобретение позволяет исключить человеческий фактор в процессе измерений параметров - критериев качества ЭВП СВЧ с возможностью оформления протокола испытаний в автоматическом режиме, сократить время испытания ЭВП СВЧ.

На базе указанного изобретения разработан мобильный автоматизированный измерительный комплекс (далее - МАИК) для контроля параметров ЭВП СВЧ (для безнакальных магнетронов).

На фиг. 1 представлена структурная схема комплекса для оценки текущего состояния ЭВП СВЧ в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 2 приведен алгоритм работы вычислительного устройства.

На фиг. 3 показан пример реализации комплекса МАИК, изготовленный в АО «Плутон».

На фиг. 4 приведен пример измеренной с помощью МАИК флуктуации фронта огибающей ВЧ импульса.

На фиг. 1 приведены следующие обозначения:

1. Источник питания;

2. ЭВП СВЧ, подключенный к источнику питания 1;

3. СВЧ тракт, подключенный к ЭВП СВЧ 2;

4. Нагрузка, подключенная к СВЧ тракту 3;

5. Датчики напряжения и тока, подключенные к ЭВП СВЧ 2 и аналого-цифровому преобразователю (АЦП) 7;

6. Детектор огибающей, подключенный к АЦП 7 и СВЧ тракту 3;

7. АЦП с несколькими входами, подключенный к датчикам напряжения и тока 5, детектору огибающей 6 и вычислительному устройству 8;

8. Вычислительное устройство с программным обеспечением 8, подключенное к АЦП 7;

9. Устройство вывода информации 9, подключенное к вычислительному устройству 8.

Приведенный на фиг. 2 алгоритм работы вычислительного устройства 8 включает в себя следующие этапы:

1. Получение значений токов и напряжений в цифровом виде от АЦП 7;

2. Накопление цифровых значений напряжений и токов в устройстве 8;

3. Определение временных параметров импульсных сигналов (длительность импульса, длительность фронта импульса, длительность спада импульса и т.п.);

4. Определение амплитудных параметров импульсных сигналов (амплитуда импульса, выброс на фронте импульса, скос плоской части импульса и т.п.);

5. Определение параметров непрерывных сигналов (среднее значение, пульсации и т.п.);

6. Определение значений параметров критериев надежности (качества) ЭВП в соответствии с методиками из технических условий на ЭВП СВЧ, выдача информации о соответствии или несоответствии техническим условиям;

7. Накопление значений параметров критериев надежности (качества), построение характеристики изменения параметров критериев, экстраполяция характеристики изменения параметров критериев на время работы ЭВП СВЧ и выдача прогноза о соответствии или не соответствии ЭВП СВЧ техническим условиям через заданное время работы прибора.

8. Вывод отчета на устройство 9 (дисплей или устройство печати).

В качестве датчика огибающей можно использовать детекторную головку или детекторный щуп.В качестве АЦП можно использовать цифровой запоминающий осциллограф или специальные микросхемы АЦП. В качестве вычислительного устройства можно использовать ноутбук или компьютер, или иное вычислительное устройство.

Работает МАИК следующим образом. Датчики напряжения и тока преобразуют величины напряжений, прикладываемых к ЭВП СВЧ или формируемых на выходе ЭВП СВЧ, и токов, проходящих через электроды ЭВП СВЧ, в напряжения с уровнями, лежащими в пределах возможности оцифровки АЦП с возможностью дальнейшей передачи полученных цифровых значений в компьютер или иное вычислительное средство. С помощью специального программного обеспечения, установленного в компьютере или ином вычислительном устройстве, происходит сбор, накопление и математическая обработка цифровых данных, поступивших с АЦП.

С помощью такой обработки данных можно, например, для ЭВП СВЧ типа магнетрон рассчитать величину флюктуации фронта огибающей выходных ВЧ колебаний относительно фронта модулирующего импульса. По характеристикам изменения величины флюктуации в процессе работы на разных этапах жизненного цикла этого ЭВП СВЧ можно сделать оценку надежности текущего состояния данного ЭВП СВЧ. Пример измеренной с помощью МАИК флуктуации фронта огибающей ВЧ импульса приведен на фиг. 4.

Способ по настоящему изобретению реализуется в комплексе следующим образом.

Измеряются значения напряжений и токов ЭВП СВЧ с последующей оцифровкой этих значений и расчетом в вычислительном устройстве параметров режима работы ЭВП СВЧ, определяются изменения во времени параметров режима работы ЭВП СВЧ, например флуктуаций фронта высокочастотного импульса.

Оценка измеряемых параметров режима работы ЭВП СВЧ проводится путем математической обработки единичных отсчетов величин измеряемых напряжений (токов), получаемых в дискретном виде от аналого-цифрового преобразователя. Вычислительное устройство с программным обеспечением позволяет проводить оценку следующих параметров импульсных сигналов: амплитуда, длительность, длительности фронта и спада, скос плоской части импульса, временных интервалов между отдельными сигналами, флюктуации фронта ВЧ импульса относительно фронта импульса модулирующего напряжения, количество пропущенных импульсов.

Оценка значения величины флюктуации ВЧ импульса (среднеквадратичного значения и максимальный разброс) в вычислительном устройстве с программным обеспечением осуществляется путем математического расчета среднеквадратичного отклонения величины интервала времени (далее время задержки - Δτ_i) между фронтом модулирующего импульса и фронтом импульса огибающей. Объем выборки устанавливается оператором. Δτ_i измеряется между фронтом модулирующего импульса по уровню 0,5 от его амплитуды и фронтом импульса огибающей ВЧ колебаний по уровню 0,5. Получение сигнала происходит с помощью детектора огибающей через СВЧ тракт непосредственно от ЭВП СВЧ.

Вычислительное устройство с программным обеспечением реализует алгоритм взаимодействия с АЦП, накопление полученных осциллограмм и их математическую обработку. При включении вычислительного устройства программному обеспечению в нем необходимо задать начальные установки: параметры входных сигналов; параметры синхронизации АЦП, параметры сбора информации - количество отсчетов за один цикл измерений и количество измерений. При этом на первый вход АЦП необходимо подать сигнал импульса модулирующего напряжения, на второй вход - сигнал датчика тока, на третий вход - сигнал с детектора ВЧ огибающей. Возможно использование входов как совместно, так и по отдельности. После подключения вычислительного устройства с программным обеспечением к АЦП и его конфигурирования (задания начальных установок) необходимо подать питание на ЭВП СВЧ с подключенными к нему соответствующими датчиками. Комплекс переходит в режим сбора данных. После окончания накопления заданного оператором количества измерений, на устройстве вывода информации отобразятся параметры соответствующих измерений с расчетом значения статистических параметров, например среднеквадратического значения флюктуации. Величина среднеквадратичного значения флюктуации рассчитывается по следующим формулам:

- среднеквадратическое отклонение флюктуации фронта огибающей ВЧ импульса относительно фронта импульса модулирующего напряжения (времени задержки);

- дисперсия времени задержки;

- среднее значение времени задержки (математическое ожидание);

Δτ_i - единичный отсчет времени задержки;

N - количество измерений времени задержки, (задается оператором вычислительного устройства с программным обеспечением).

Накопленные и рассчитанные параметры можно сравнивать со значениями, установленными в конструкторской документации для ЭВП СВЧ конкретного вида. Например, на основе накопленного количества изменений задержки появления огибающей ВЧ импульса относительно фронта модулирующего импульса (то есть флюктуации переднего фронта огибающей) можно рассчитать среднеквадратическое отклонение (СКО) флюктуации для конкретного магнетрона и можно сравнить его со значением СКО флуктуации, установленным в технических условиях. Характер изменения (увеличение, уменьшение или стабилизация) измеренных и рассчитанных значений флуктуаций фронта ВЧ огибающей во времени, например в течении технологических операций регулировки, настройки, прогона и испытаний ЭВП СВЧ (например, для безнакального магнетрона, занимающие 10 и более часов), дает возможность провести оценку качества проведенных технологических операций и по накопленным статистическим данным прогнозировать дальнейшую надежность ЭВП СВЧ в течение срока эксплуатации.

Комплекс позволяет конкретизировать метод 2 по п. 12 ОСТ11-0354-86 «Магнетроны. Методы измерения электрических параметров» и обеспечивает возможность оценки флюктуации переднего фронта огибающей ВЧ импульсов магнетрона относительно импульса модулирующего напряжения. Кроме того, указанный комплекс позволяет накапливать значения величины флюктуации, строить графики ее изменения, рассчитывать скорость ее изменения и направление изменения (увеличение или уменьшение) на всех этапах жизненного цикла магнетрона. Так как величина флюктуации является показателем качества работы для магнетронов, то по характеристикам изменения флюктуации во времени появляется возможность давать прогноз надежности данного ЭВП путем экстраполяции накопленных и рассчитанных параметров во времени.

Результаты сравнения значений и характер изменения измеренных значений параметров выводятся с помощью различных устройств вывода или на бумажный носитель информации.

Предложенный способ является универсальным и подходит для любых магнетронов и других ЭВП СВЧ.

Группа изобретений относится к способу и устройству для комплексной оценки параметров электровакуумных приборов (далее - ЭВП) сверхвысокой частоты (далее - СВЧ) при функционировании совместно с системами электрического питания на этапах производства (входной контроль, настройка, регулировка, испытания), эксплуатации. Способ оценки текущего состояния ЭВП СВЧ включает этапы, на которых измеряют входные и выходные напряжения и/или токи ЭВП СВЧ, оцифровывают данные значения в аналого-цифровом преобразователе, передают значения вычислительному устройству, в котором проводят математические операции с цифровыми значениями напряжений и/или токов, измеряют параметры флуктуации огибающей высокочастотного (далее - ВЧ) импульса, сравнивают значения напряжений и/или токов с заданными критериями для оценки характера изменения во времени. Комплекс содержит датчики напряжения и тока, детектор огибающей ВЧ колебаний, аналого-цифровой преобразователь, вычислительное устройство, выполненное с возможностью сбора и накопления измеренных значений, проведения математических операций с указанными значениями и сравнения их с заданными критериями. Технический результат - обеспечение оценки текущего состояния ЭВП СВЧ, а также одновременное прогнозирование надежности ЭВП СВЧ, в том числе безнакальных магнетронов. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ оценки текущего состояния электровакуумных приборов (далее - ЭВП) сверхвысокой частоты (далее - СВЧ), включающий этапы, на которых для включенного в измерительный СВЧ тракт ЭВП СВЧ измеряют входные и выходные напряжения и/или токи ЭВП СВЧ с помощью по меньшей мере одного датчика, оцифровывают мгновенные значения напряжений с датчиков в аналого-цифровом преобразователе, передают оцифрованные значения вычислительному устройству с программным обеспечением, накапливают в вычислительном устройстве значения напряжений и/или токов, проводят в вычислительном устройстве математические операции с цифровыми значениями напряжений и/или токов, измеряют параметры флуктуации огибающей высокочастотного (далее - ВЧ) импульса, полученные с помощью детектора огибающей ВЧ колебаний, сравнивают значения напряжений и/или токов и результаты их математической обработки с заданными критериями для оценки характера изменения этих токов и напряжений во времени.

2. Комплекс для оценки текущего состояния ЭВП СВЧ, содержащий датчик напряжения, датчик тока, измеряющие значения напряжения и тока ЭВП СВЧ, детектор огибающей ВЧ колебаний на выходе ЭВП СВЧ, выполненный с возможностью получения параметров флуктуации огибающей ВЧ импульса, соединенные с аналого-цифровым преобразователем, соединенным с вычислительным устройством с программным обеспечением, выполненным с возможностью сбора и накопления измеренных цифровых значений напряжений и тока, проведения математических операций с указанными цифровыми значениями напряжений и тока и сравнения их с заданными критериями для оценки изменения этих напряжений и тока во времени.