Устройство для измерения параметров материалов Советский патент 1986 года по МПК G01N22/02 

1 1

Изобретение относится к технике ВЧ-измерений и может использоватья в строительном производстве для змерения шероховатости поверхности пластичных бетонных смесей.

Цель изобретения - расширение функциональньЕх возможностей путем обеспечения контроля шероховатости пластичной бетонной поверхности в процессе ее обработки.

На чертеже приведена структурная электрическая схема устройства для измерения параметров материалов.

Устройство для измерений параметров материалов содержит СБЧ-генёра- тор 1, первую и вторую антенны 2 и 3,.первый смеситель 4, индикатор 5 направленный ответвитель 6, циркуля- тор 7, второй смеситель 8, блок 9 сравнения, первый и второй детекторы 10 и 11, привод 12 для перемеще- ния исследуемого материала 13 в направлении, перпендикулярном нормали к его поверхности.

Устройство для измерения параметров материалов работает следуюш;им образом.

СВЧ генератор 1 генерирует электромагнитные колебания, которые поступают на направленньй ответзвитель 6. Основная часть энергии источника СВЧ-генератора 1 поступает через направленньй ответвитель 6 первое плечо циркулятора 7. Из первого плеча основная часть энергии СВЧ-колеба- ний поступает во второе плечо циркулятора J, а небольшая часть энергии за счет конечной развязки первого и третьего, плеч циркулятора 7 поступает в третье плечо. Из второго плеча энергия СВЧ-колебаний поступает 3 первую антенну 2 (приемопере- дакйцую), которая облучает поверхность исследуемого материала 13 (пластичного бетонного изделия).движущегося со скоростью .V, создаваемой приводом 12. Известно, что шероховатость поверхности является одним из основных факторов, определяющих соотношение зеркально отраженной и диффузно рассеянной энергии СВЧ-колебаний. Зеркально отраженная от поверхности исследуемого матер)иала 13 волна попадает во вторую антенну 3, Диффузно рассеянная энергия принимается первой антенной 2. При фиксированной длине волны и определенных углах падения и отражения соотноше-- мне мощностей сигналов, принятых

15

20

280002

первой антенной 2 и второй антенной 3, служит мерой шероховатости отражающей поверхности. Смесителем 8 выделяется сигнал допплеровской частоты, представляющий собой биение двух сигналов: просачивающегося из первого плеча во второе плечо циркулятора 7 (гетеродинирующий сигнал) и принятого первой антенной- 2 диффузно

Q рассеянного сигнала, поступающего из второго плеча в третье плечо циркуля- тора 7. Смесителем 4 вьщеляется сигнал допплеровской частоты,представляющий собой биение двух сигналов, опорного, поступающего из вспомогательного плеча направленного ответви- теля 6 по волноводу, и зеркально отраженного от поверхности исследуемого материала 13, принятого второй ан- .тенной 3. Выходные сигналы смесителей 4 и 8, поступающие на первый и второй детекторы 10 и 11, имеют доп- плеровское смешение частоты по отношению к сигналу, облучающему поверхj, ность через первую антенну 2. Это смещение частоты возникает в связи с перемещением поверхности со скоростью V приводом 12.

Допплеровское смещение частоты выходных сигналов смесителей 4 и 8 позволяет разделить сигналы, отраженные от поверхности, от сигналов, непосредственно попадающих из первой антенны 2 на входы смесителей 4 и 8, так как если скорость перемещения по3S верхности v О, то сигналы на выходе смесителей 4 и В отсутствуют. Таким образом, поступающие на блок 9 сравнения входные сигналы содержат информацию о соотношениях мощностей

40 зеркально отраженной и диффузно рассеянной волн, так как выходные сигналы детекторов 10 и 11 пропорциональны соответственно амплитудам диффузно рассеянной и зеркально отра45 женной волн. Выходной сигнал блока 9 регистрируется индикатором 5.

Для обеспечения работоспособности предлагаемого устройства необходимо выбрать параметры установки передаю-

40 V./

щей и приемной антенн (угол наклона, высоту выставки, рабочую длину волны, поляризацию). При этом определяющим в оценке класса шероховатости поверхности пластичных бетонных сме5S сей является отношение длины радио- . волны 7 к высоте неровности h. Аналитически, с точки зрения процесса отражения радиоволн от плоской гра30

31

ницы раздела двух сред, степень шероховатости поверхности определяется критерием Релея

h

16 з п0„--

под

где0„дд - угол наклона луча к поверхности,

h - высота неровностей. . Для работы предлагаемого устройства необходимо выбирать параметры установки: угол наклона приемопередающей антенны , угол наклона второй антенны и длину волны Л таким образом, чтобы минимальные высоты анализируемых неровностей поверхности удовлетворяли неравенству

-Л

16 sin Эпад

(2)

Если высота неровностей на всей поверхности или на участке при отражении удовлетворяет условию (2), то отражение в зависимости от характера неровностей будет диффузным или полурассеянным. Диффузным отражением назьшают случай отражения, при котором плотность мощности отраженной волны Пд в верхнем полупространстве зависит от угла отражения по знаку Ламберта

П,

Петр COStf,

где Пр - плотность мощности, отраженная в перпендикулярном направлении.

Диаграмма рассеяния ГР, в пространстве представляет собой сферу.

Известно, что при полурассеянном отражении мощность, отраженная в обратном направлении под углом блод (мощность диффузно рассеянной волны уменьшается при уменьшении h/я, -а мощность зеркально отраженной волны под углом брад &отр (зеркально отраженная волна) увеличивается с уменьшением Ъ/7(.

Следовательно, для повьш ения точности анализа класса шероховатости с уменьшением высоты неровностей поверхности необходимо уменьшить отношение 7 /sin 0 под .

Однако увеличение угла падения б под приводит к уменьшению доппле- ровского сдвига частоты отраженного неровностями сигнала и поэтому неравенство (2) достигают уменьшением .

1

я

)

хт

20

2280004

Случайные шероховатые поверхности из пластичных бетонных смесей, получаемые в процессе заглаживания,имеют нормальное распределение высот точек поверхности , поскольку образование неровностей поверхности является результатом совместного и аддитивного действия большого числа факторов.

При рассеянии поля случайной шеро- .Q ховатой поверхности угловое распределение интенсивности рассеяния поля представляется функцией I(R,(,)) , называемой индикатриссой рассеяния, где R - волновой вектор подающего поля, tf - волновой вектор рассеянного поля.

в случае рассеяния поля на гшас- тичной бетонной смеси эту поверхность можно считать идеально отражающей (коэффициент отражения 1), поскольку эта, поверхность проводящая и в связи со значительной влажностью имеет большую диэлектрическую проницаемость.

25 Соотношение интенсивности диффузно рассеянной волны (интенсивности обратного рассеяния Х .- (f ) и зеркально отраженной волны Х« ((при постоянных углах облучения и наблю20 дения (( и ТС , длине волны А , при неизменных расстояниях передатчика и приемника от поверхности) характеризует шероховатость поверхности и позволяет отнести ее к одному из классов шероховатостей. Интервал корреляции шероховатостей поверхности пластичной бетонной смеси определяется размерами выступающих на поверхность наполнителей смеси (щебенка, гравий, песок и т.д.) и, как правило, при массовом производстве изделий размеры наполнителей постоянны или мало меняются. Поэтому соотношения интенсивностей двух вьшеназванных волн определяются параметром б - среднеквадратическим отклонением высот точек поверхности от среднего уровня, что и позволяет внести оперативный контроль качества поверхности изделий и автоматизировать про35

40

45 ч.

50

цесс заглаживания.

Формула изобретения

Устройство для измерения парамет- 55 ров материалов, содержащее СВЧ-гене- ратор, первую и вторую антенны, первый смеситель, индикатор, отличающееся тем, что, с целью

51

расширения функциональньгх возможностей путем обеспечения контроля шероховатости пластичной бетонной поверх ности в процессе ее обработки, введены направленный ответвитель, цир- кулятор и последовательно соединен- ные второй смеситель, первый детектор и блок сравнения и второй детектор, при этом основное плечо направленного ответвителя включено между выходом СВЧ-генератора и первым плечом циркулятора, к второму плечу которого подсоединена первая антенна, третье плечо циркулятора соединено с входом первого смесителя, выход ко

2.80006

торого через второй детектор соединен с вторым входом блока сравнения, выход которог о подключен к входу индикатора, а выход вспомогательного пле- г ча направленного ответвителя соединен с первым входом второго смесителя, к второму входу которого подсоединена вторая антенна, при этом первая и вторая антенны установлены под 1) .одинаковыми углами к нормали к поверхности исследуемого материала, а также введен привод для перемещения исследуемого материала в направлении, перпендикулярном нормали к его J5 поверхности.

Изобретение относится к технике СВЧ-измерений и обеспечивает расширение функциональных возможностей путем обеспечения контроля шероховатости пластичной бетонной поверхности в процессе ее обработки. Привод 12 осуществляет перемещение исследуемого материала (ИМ) 13 в направлении, перпендикулярном нормали к его поверхности. При движении ИМ 13 облучается антенной 2, на которую поступают электромагнитные колебания СВЧ- генератора 1, прошедшие через основное плечо направленного ответвителя 6 и первое и второе плечи циркулято- ра 7. Зеркально отраженная от поверх- ности ИМ 13 волна попадает на антен- ну 3, которая установлена под таким же углом к нормали ИМ 13, что и антенна 2. Диффузно рассеянная энергия принимается антенной 2. Соотношение мощностей сигналов, принятых антеннами 2 и 3, служит мерой шероховатости отражающей поверхности. Смеситель 8 выделяет сигнал биений двух сигналов: просачивающегося из первого плеча циркулятора 7 во второе плечо и принятого антенной 2. Смеситель 4 выделяет сигнал биений двух сигналов: опорного, поступающего из вспомогательного плеча направленного ответвителя 6, и принятого антенной 3.Сигналы со смесителей 4 и 8 через соот-. ветствующие детекторы 10 и 11 поступают на блок 9 сравнения. Выходной сигнал блока 9 сравнения регистрируется индикатором 5. 1 ил. (О ел 1чЭ ю оо