Способ определения дефектов в диэлектрических материалах Советский патент 1992 года по МПК G01N22/02 

сл

с

Изобретение относится к сельскохозяйственному производству, в частности к способам выявления внутренних дефектов зерна, образуемых скрытообитающими насекомыми-вредителями. От генератора неполяризованного СВЧ-излучения сантиметрового диапазона через волноводный симметричный разветвитель СВЧ-волны направляются по двум волноводам к микро- волноводным линзам, при помощи которых они фокусируются в пучки с площадью поперечного сечения, соизмеримой с площадью контролируемых зерен. Эти пучки СВЧ-волн проходят по двум волноводным каналам, где помещаются эталонное (без дефектов) зерно и контролируемое зерно. Измеряя величину разностного сигнала от обоих детекторов прошедших СВЧ-волн, определяют характер дефекта в контролируемом зерне. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к неразрушающим способам контроля диэлектрических материалов и, в частности, может быть использовано для определения дефектов г.ер- на, вызванных действием скрытообитэю- щих насекомых-вредителей.

Изэестны различные неразрушающие способы определения скрытых дефектов зерна и его зараженности насекомыми-вредителями,

Так, например, известен рентгенографический анализ дефектов зерна и наличия в нем вредителей, позволяющий определять внутренние полости, повреждения и личиночные стадии развития некоторых вредителей. О других стадиях развития (имаго, куколка) здесь можно судить лишь ориентировочно по характеру, размерам и очер |Тниям полости дефекта зерна, образовавшейся в результате деятельности вредителя.

Однако с помощью рентгенографического способа нельзя точно определить, является ли обнаруженный в зерне вредитель живым или мертвым, что необходимо знать для принятия решения о дальнейших мерах защиты при хранении зерна и нормах высева семян. Кроме того, рентгенографические устройства являются сравнительно дорогими и громоздкими и требуют соблюдения специальных мер по технике безопасности, а также значительного времени для обработки пленок или фотобумаги при получении рентгенограмм или фотоотпечатков.

Принципиальный недостаток рентгенографического способа (невозможность точно различать живых и погибших вредителей в зерне) устраняется з другом известном способе обнаружения скрытообитающих

ч|

о со о сл

sl

вредителей в зерне - в акустическом способе, основанном на фиксации слабых звуковых сигналов, издаваемых живыми насекомыми внутри зерна, когда они грызут его, двигаются и т.п. Способ применим для экспрессной диагностики и обладает высокой чувствительностью.

Однако акустическому способу свойственны свои, специфические недостатки. Так, этим способом невозможно обнаружить неактивных вредителей, а также выявить различие в стадиях развития активных вредителей и наличие поврежденных зерен с внутренней полостью, но без вредителей. Кроме того, чтобы живые вредители приобрели в зерне активность, его необходимо дополнительно подогреть до 20-25°С.

Как известно из литературных данных, живые скрытообитающие насекомые-вредители на различных стадиях развития имеют по сравнению с незараженным зерном значительную собственную влажность превышающую влажность зерна в 3-4 (и более) раза. Кроме того, различные стадии развития насекомого существенно отличаются содержанием воды в теле вредителя. Так, например, в теле живых имаго вредителей запасов зерна содержится 47-54% воды, а в личинках - 62-67%, в то время как зерно при хранении имеет влажность около 13- 15%. Следовательно, для выявления различных стадий развития вредителей зерна необходимо применять способ, позволяющий с высокой чувствительностью и точностью определять содержание воды в зерне в пределах от 10 до 70-80%.

Такой способ может быть основан на применении поглощения электромагнитных волн сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона, где диэлектрические характеристики Ј и tgd зерна и воды значительно отличаются по величине (более чем в 20-30 раз). Так, например, на 3-сантиметровых волнах для сухого зерна пшеницы диэлектрическая проницаемость РЗ 2, а для воды Јв 61,5 и, соответственно, тангенс угла диэлектрических потерь для зерна tg d3 0,025 и для воды 0.5.

Известен способ определения дефектов диэлектрических материалов с помощью электромагнитных колебаний СВЧ-дианазона, основанный на поглощении СВЧ-волн в исследуемом и эталонном образцах одновременно и измерении разности прошедших сигналов, по которой судят о наличии дефекта. Однако такой способ, используемый для контроля дефектов в листовых диэлектриках, не применим для контроля дефектов зерна так как площадь зерна, облучаемая СВЧ-энергией от излучающих головок, во много раз меньше площади самих головок. Поэтому более 90% излучаемой ими СВЧ-энергии будет проходить мимо контролируемого зерна, т.е. схема не может точно определять не только дефекты в зерне, но и наличие самого зерна в электромагнитном поле. Кроме того, здесь, как и во всех дефектоскопах, исполь0 зуется когерентное поляризованное СВЧ- излучение, что применимо для контроля дефектов в листовых диэлектриках и не может быть использовано при определении скрытых дефектов в зерне. Объясняется это

5 тем, что при применении поляризованных волн форма и расположение дефекта в зерне воспринимаются схемой соизмеримо с изменением влагосодержания зерна и вредителя в зерне, что искажает полезную ин0 формацию о характере дефекта, снижая этим точность и чувствительность определения дефекта.

Целью изобретения является повышение точности определения дефектов в об5 разцах с малыми размерами.

Положительный эффект заключается как в повышении точности и чувствительности способа при контроле дефектов в зерне, что повышает достоверность контроля, так

0 и в значительном улучшении производительности контроля, что обеспечивает экономическую эффективность разработанного способа.

Для этого в способе определения де5 фектов в диэлектрических материалах, заключающемся в облучении электромагнитными волнами исследуемого и эталонного образца, измерении разности прошедшего сигнала через исследуемый и эталонный

0 образцы, по которой судят о наличии дефекта, облучение осуществляют сфокусированными неполяризованными электромагнитными волнами с поперечными размерами потока, соизмеримыми с размерами образ5 ца.

На чертеже приведена функциональная схема устройства для осуществления предлагаемого способа.

Устройство содержит источник неполя0 ризованных СВЧ-волн сантиметрового диапазона 1, волиоводный разветвитель 2 и волноводные тракты 3 и 4 для контролируемого и эталонного зерна. В каждом из трактов установлены передающие рупорные

5 антенны 5 и 6 с микроволноводными линзами 7 и 8, создающими сфокусированные потоки СВЧ-волн, и приемные детекторные секции 9 и 10 с патронами 11 и 12, прозрачными для СВЧ-волн.в которые помещают контролируемое 13 и эталонное 14 зерно. В

детекторных секциях установлены СВЧ-де- текторы прошедшего сигнала 15 и 16 и регулирующие поршни 17 и 18. К выходам СВЧ-детекторов подключается контрольно- измерительная схема 19, а преобразуемый в ней разностный сигнал подается на вход цифрового многошкального индикатора 20.

Способ осуществляется следующим образом.

Из контролируемой партии зерна отбирается навеска в несколько зерен, из которой выбирают зерна, не имеющие зараженности вредителями (эталонные зерна). Эти зерна в процессе работы остаются постоянно в эксплуатации для данной партии зерна. Затем из испытуемой партии зерна берут мерочным стаканом в любом месте необходимое количество контролируемого зерна - не менее 50 зерен для продовольственного зерна и не менее 200 зерен для семенного зерна.

Включив СВЧ-генератор 1 проверяют его работу при отсутствии зерен в контролируемом 3 и эталонном 4 трактах. В этом случае цифровой многошкальный индикатор 20 не должен фиксировать какие-либо показания. В противном случае подстройка осуществляется регулировкой положения поршней 17 и 18.

Затем в патрон 11 помещают контролируемое зерно 13, а в патрон 12 - эталонное зерно 14, включают СВЧ-генератор 1 и фиксируют показания цифрового индикатора 20, поочередно заменяя контролируемые зерна. При этом производительность контроля зависит от навыка и может быть доведена до 20-30 зерен в минуту. В конце контроля снимают показания цифрового индикатора 20, отмечая общее количество прошедших зерен, число зерен по шкале полость (без вредителя), имаго (живые или мертвые), личинки (живые или мертвые), куколки (живые или мертвые) и общее число дефектных зерен.

При испытании новой партии зерен эталонное зерно выбирается из этой партии и все операции повторяются в указанной последовательности с новыми контролируемыми зернами.

Разработанный способ определения дефектов в диэлектрических материалах отвечает всем основным требованиям, предь- являемым к условиям качественного контроля зерна при его скрытой зараженности насекомыми-вредителями

В таблице приведены результаты расчетов, подтверждающие высокую точность и чувствительность разработанного способа ко всем видам дефектов в зерне полученные на основании вычисления массового ослабления СВЧ-волн 3-сантиметрового диапазона в зерне пшеницы по формуле

где m - ослабление СВЧ-волн, дБ/г/см ; ,2 см - длина СВЧ-волны-; г/см3 плотность воды и зерна; е - относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества (для воды ,5, для зерна ,), tg(5- тангенс угла диэлектрических потерь вещества (для воды tgdB

5 0,5, для зерна tgd3 0,025).

При этом учтены следующие средние значения массы для зерна пшеницы г, для живого имаго вредителя ,5 г, для мертвого высохшего вредителя ,5 г. Средние значения относительной влажности равны: для хранимого зерна рэ 15%, для живого имаго вредителя рж 50%, для мертвого вредителя .

Высокая чувствительность и точность определения дефектов в зерне при помощи предлагаемого способа объясняется большой концентрацией СВЧ-энергии на зернах благодаря ее фокусировке в пятно, соизмеримое с облучаемой полощадью зерна, и применением неполяризованных СВЧ- волн, нечувствител:,ных к форме и расположению дефекта, а только фиксирующих изменение его влагосодержания. Применец ние двухканальной дифференциальной схемы измерения также повышает точность и чувствительность измерения дефектов данным способом.

Использование данного способа опреп деления дефектов зерна на практике обеспечивает также более безопасные и менее утомительные условия труда как по сравнению с рентгеног рафическим способом, так и по сравнению с широко применяемым в настоящее время визуальным рассмотрением деструктированных зерен под микроскопом.

5

0

5

Формула изобретения

Способ определэния дефектов в диэлектрических материалах, заключающийся в облучении электромагнитными волнами исследуемого образца и эталонного образца, измерении разности прошедшего сигнала через исследуемый и эталонный образцы, по которой судят о наличии дефекта, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения дефектов в образцах с малыми размерами, облучение осуществляют сфокусированными неполяризованными электромагнитными волнами с поперечныМассовое ослабление СВЧ-волн 3-сантиметрового диапазона в зерне пшеницы с дефектами и 5ез них и разностный сигнал на выходе дифференциальной схемы

5 7 9 п

L J-Jj3jl

зЕТЬ

ми размерами потока, соизмеримыми с размерами образиа.

13

W