Устройство для определения количества вещества Советский патент 1992 года по МПК G01N22/00 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов с использованием микроволн (СВЧ-колебаний) и. может быть использовано для определения количества вещества (примесей, включений, добавок, пропиток, наполнителей и т.п.) в жидкостях, газообразных и твердых материалах по величине селективного поглощения электромагнитной энергии.

Известно устройство определения количества вещества по величине селективного поглощения микроволнового излучения (см., например, Брандт А,А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах.- М.: Гос. изд-во физико-математической литературы, 1963, с. 224-225, и 282-283), содержащее источник модулированных СВЧ-колебаний, которые распространяются через датчик поглощения с исследуемым материалом, гетеродин, смеситель, избирательный усилитель, детектор и измеритель амплитуды, огибающий низкочастотного сигнала.

Недостатком устройства является невысокая точность определения количества вещества из-за неконтролируемых изменений амплитуды низкочастотного напряжения, вызываемых нестабильностью мощностей генерируемых СВЧ-колебаний, нестабильностью характеристик смесителя, усилителей и т.п. При малых количествах исследуемого вещества трудно обнаружить малые изменения затухания датчика на фоне неконтролируемых изменений мощностей детектируемых СВЧ-колебаний.

Известно устройство определения количества вещества по величине селективного поглощения СВЧ-колебаний (см., например, Дубицкий Л.Г. Радиотехнические методы контроля изделий,-М.: Гос. научно-техническое изд. машиностроительной литературы, 1963, с. 306-307), содержащее источник моделированных колебаний СВЧ, делитель на два канала: один - с исследуемым материалом, второй - с эталонным материалом, детектор, усилитель огибающей и измеритель ее амплитуды.

Сравнение с эталонным материалом не исключает ошибки в определении качества вещества в контролируемом материале из- за влияния посторонних примесей и загрязнений в исследуемом материале, которые не создают селективное поглощение на заданной частоте, но изменяют общее затухание датчика. На фоне неконтролируемых изменений общего затухания измерительного датчика также трудно обнаружить малое количество исследуемого вещества, вызывающих дополнительное ослабление сигнала.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является двухчастотный СВЧ-измеритель количества влаги в диэлектрических материалах (авт.св.

№ 1504584, кл. G 01 N 22.04, 1987, БИ № 32, 1989), содержащий первый и второй мани- пулируемые СВЧ-генераторы, к выходу которых подключены первый и второй регуляторы мощности, первый двойной вол0 новодный тройник, к выходам которого подключены согласованная нагрузка и первый СВЧ-детектор, выход которого соединен с усилителями, один из которых через первый синхронный детектор и первый фильтр ниж5 них частот соединен с управляющим входом первого регулятора мощности, второй - через второй фильтр нижних частот соединен с управляющим входом второго регулятора мощности, второй волноводный тройник, к

0 выходам которого подключены согласованная нагрузка и передающая антенна, к приемнойантеннеподключеныпоследовательно соединенные второй СВЧ- детектор, логарифмический преобразова5 тель, регулирующий детектор и измерительный прибор, источник опорного напряжения и низкочастотный парафазный импульсный генератор, выходы которого соединены с управляющими входами СВЧ-ге0 нераторов и синхронных детекторов.

Недостатком известного устройства является невысокая точность определения количества искомого вещества в исследуемом материале, особенно малых количествах.

5 Так, при отсутствии искомого вещества в материале сравниваемые напряжения не равны из-за неконтролируемого поглощения электромагнитной энергии основной массой исследуемого материала, а их отно0 шение зависит не только от количества искомого вещества, но и от массы исследуемого материала, его плотности и температуры. Кроме того, соотношение мощностей колебаний двух близких частот

5 зависит от степени неравномерности частотных характеристик как самого датчика поглощения (волноводного или антенного), так и элементов СВЧ-трактов. Начальное неравенство сравниваемых напряжений

0 при отсутствии искомого вещества в исследуемом материале, т.е. отсутствие стабильного нуля, а также неидентичность и нестабильность коэффициентов передач преобразовательных СВЧ-трактов не позво5 ляют достоверно оценивать наличие малых количеств примесей, включений, добавок и т.п. в исследуемых материалах.

Целью настоящего изобретения является повышение точности определения коли- чества вещества в исследуемом материале

путем исключения влияния неселективных поглощений в самом датчике с исследуемым материалом на величину селективного поглощения СВЧ-колебаний, а также неравномерности его частотной характеристики, нестабильности и неравномерности коэффициентов передач и чувствительности элементов СВЧ-трактов.

Устройство представлено на чертеже.

Устройство содержит первый и второй СВЧ-генераторы 1 и 2, развязывающие аттенюаторы 3, 4, низкочастотный управляющий генератор 5, блоки 6, 7 выделения отраженного сигнала, плечи 8, 9 СВЧ-пере- ключателя двойные тройники 10 11, датчики поглощения 12, 13, смеситель 14, избирательный усилитель 15 разностной частоты, амплитудный детектор 16, логарифмический преобразователь 17, усилитель огибающий сигнала 18, синхронный детектор 19 и измерительный прибор 20.

К выходу СВЧ-генератора 1 через развязывающий аттенюатор 3, блок 7 выделения отраженного сигнала подключено плечо 9 СВЧ-переключателя, а к выходу СВЧ-генератора 2 через развязывающий аттенюатор 4, блок 6 выделения отраженного сигнала подключено плечо 8 СВЧ-переключателя. Выходы плеч 8, 9 СВЧ-переключателя соединены с входами Е и Н двойного тройника 10, к выходу которого подключены последовательно соединенные датчики 12 поглощения, смеситель 14, избирательный усилитель 15, амплитудный детектор 16. логарифмический преобразователь 17, усилитель 18, синхронный детектор 19 и измерительный прибор 20, Вторые выходы блоков 6, 7 выделения отраженного сигнала соединены с выходами Е и Н двойного тройника 11, выход которого через датчик 13 поглощения соединен с вторым входом смесителя 14. Управляющие входы плеч 8, 9 СВЧ-переключателя соединены с управляющими входами синхронного детектора 19 и противофазными выходами низкочастотного генератора 5.

Устройство работает следующим образом: сверхвысокочастотные генераторы 1 и 2 генерируют колебания близких частот, которые через развязывающие аттенюаторы 3 и 4, блоки выделения отраженных сигналов 6 и 7 и плечи 8 и 9 двухпозиционного СВЧ- переключателя и двойного тройника 10 поступают в датчик поглощения 12 поочередно. Так, колебания генератора 1 через блок 7 выделения отраженного сигнала, открытое плечо 9 СВЧ-переключателя поступают на вход Е двойного волноводно- го тройника 10. СВЧ-колебания генератора 2 проходят через блок 6 выделения отраженного сигнала и поступают на закрытое плечо 8 СВЧ-переключателя, который управляется прямоугольным напряжением низкочастотного генератора 15. Отраженные от закрытого плеча 8 СВЧ-колебания через блок 6 поступают на плечо Н двойного волноводного тройника 11.

В последующий полупериод управляющего напряжения генератора 5 плечо 9

0 СВЧ-переключателя закрывается, а плечо 8 - открывается. Колебания генератора 2 через открытое плечо 8 поступают на вход Н двойного тройника 10, а колебания генератора 1, отраженные от закрытого плеча 9,

5 через блок 7 выделения отраженного сигнала поступают на вход Е двойного волноводного тройника 11. Благодаря поочередной работе плеч 8, 9 СВЧ-переключателя с выхода тройника 10 на датчик 12 с исследуемым

0 материалом поступают поочередно пакеты СВЧ-колебаний близких частот, которые испытывают различное затухание в зависимости от количества искомого вещества в исследуемом материале. С выхода тройника

5 11 на датчик 13 с эталонным материалом, в котором отсутствует искомое вещество, поочередно, поступают пакеты тех же СВЧ-ко- лебаний, но с противоположным чередованием близких частот.

0В результате смешивания СВЧ-колебаний близких частот в смесителе 14 образуются колебания разностной частоты, которые выделяются избирательным усилителем 15, настроенным на разностную час5 тоту. Пакеты колебаний разностной частот ы поочередно детектируются амплитудным детектором 16 и образовавшиеся видеоимпульсы подвергаются функциональному преобразованию в логарифмическом преоб0 разователе 17.

При наличии искомого вещества в исследуемом материале прологарифмированные видеоимпульсы имеют разные амплитуды, что вызывает появление низко5 частотной огибающей частоты переключения в выходном напряжении логарифмического преобразователя 17.

Низкочастотное напряжение частоты следования пакетов СВЧ-колебаний усили0 вается низкочастотным усилителем 18 огибающей видеоимпульсов и выпрямляется синхронным детектором 19, который управляется непосредственно прямоугольным напряжением генератора 5. Выпрямленное

5 напряжение, пропорциональное количеству искомого вещества, измеряется и регулируется измерительным прибором 20.

В случае отсутствия искомого вещества в исследуемом материале на выходе логарифмического преобразователя 17 исчезает

огибающая частоты переключения и прибор 20 фиксирует нулевое значение независимо от уровня мощностей генерируемых СВЧ- колебаний двух близких частот, поглощений электромагнитной энергии в исследуемом материале, не содержащем примесей искомого вещества, неравномерности частотных характеристик датчиков 12, 13 с исследуемым и эталонным материалом, температуры, изменяющей начальное затухание материала, помещенного в датчик, и т.д. Таким образом, в схеме устройства обеспечен стабильный нулевой отсчет, что позволяет обнаруживать и количественно оценивать малые количества примесей, включений, добавок в исследуемом материале.

При наличии искомого вещества в исследуемом материале в выходном напряжении логарифмического преобразователя 17 появляется низкочастотная огибающая, которая после усиления и выпрямления измеряется прибором 20,

Заявляемое устройство апробировано в СВЧ-измерителе количества низкомолекулярных соединений (НС) в процессе экстракции поликапроамидной крошки при производстве капронового волокна. В качестве генераторов двух близких по частоте колебаний в СВЧ- измерителе, выполненном по рассмотренной схеме, использованы СВЧ-генераторы на двух диодах Ганна типа АА715-АА716. Близкие частоты генераторов определяются собственными частотами двух резонаторов генераторов. Значения этих частот выбраны около 10-15 ГГц, разность частот составляет 30-50 МГц. В качестве блоков выделения отраженных сигналов используются автоматический двухпозиционный переключатель, выполненный на p-i-n-диодах, например, типа КА 543А, обеспечивающих потери пропускания не более 1,5 дБ и потери запирания 70 дБ в диапазоне частот 10-15 ГГц. Смеситель СВЧ-колебаний выполнен по балансной схеме на смесительных диодах ЗАНОЗА 17, которая обеспечивает развязку между входными сигналами не менее 25 дБ Остальные блоки схемы выполнены натипо вых элементах СВЧ- и ВЧ-техники. Экспери ментально определенная погрешность

измерения количества НС в экстрате не пре высила + 0,05% в диапазоне 0,1-2%. Формула изобретения Устройство для определения количест ва вещества, содержащее первый и второй

генераторы СВЧ, к выходам которых подсоединены соответственно первый и второе ослабители, первый и второй двойные вол- новодные тройники, к первым входам кото- рых подсоединены первая и вторая

согласованные нагрузки, к вторым выходам - первая и вторая измерительные ячейки для исследуемого вещества, последовательно соединенные детектор СВЧ, логарифма- тор, усилитель огибающей, синхронный

детектор и индикатор а также генератор парафазного прямоугольного напряжения выходы которого подсоединены к опорным входам синхронного детектора, отличающееся тем, что, с целью повышения

точности, выход первого ослабителя соединен с Е-входом первого двойного волновод- ного тройника через введенные последовательно соединенные первый блок выделения отраженной волны и первый выключатель, выход второго ослабителя соединен с Н-входом первого двойного волноводного тройника через введенные последовательно соединенные второй блок выделения отраженной волны и второй выключатель, выходы первой и второй измерительных ячеек подсоединены к входам введенного балансного смесителя, выход которого через введенный селективный усилитель разностной частоты соединен с входом детектора СВЧ, входы отраженной волны первого и второго блоков выделения отраженной волны подключены соответственно к Е- и Н-входам второго двойного волноводного тройника, а управляющие

входы первого и второго выключателей соединены с выходами генератора парафазного прямоугольного напряжения.

Изобретение относится к технике неразрушающего контроля материалов с помощью СВЧ-колебаний и может использоваться для определения количества вещества по величине селективного поглощения электромагнитной энергии. Цель изобретения - повышение точности. Устройство содержит генераторы СВЧ 1, 2, ослабители 3, 4, генератор 5 парафазного прямоугольного напряжения, блоки 6, 7 выделения отраженного сигнала, выключатели 8, 9, двойные волноводные тройники 10, 11, измерительные ячейки 12, 13, балансный смеситель 14, селетивный усилитель 15 разностной частоты, детектор СВЧ 16, логарифматор 17, усилитель 18 огибающей, синхронный детектор 19 и индикатор 20. Повышение точности достигается благодаря ведению блоков 6, 7, выключателей 8,9, смесителя 14 и усилителя 15. 1 ил. /4 Ё VJ О со ю (Я ел