SU1763955A1

SU1763955A1 - Device for determining quantity of matter

Info

Publication number: SU1763955A1
Application number: SU904814973A
Authority: SU
Inventors: Юрий Алексеевич Скрипник; Анатолий Александрович Потапов; Игорь Юрьевич Скрипник; Виталий Николаевич Мордоус
Original assignee: Киевский технологический институт легкой промышленности
Priority date: 1990-04-17
Filing date: 1990-04-17
Publication date: 1992-09-23

Abstract

Изобретение относитс к технике неразрушающего контрол материалов с помощью СВЧ-колебаний и может использоватьс дл определени количества вещества по величине селективного поглощени электромагнитной энергии. Цель изобретени - повышение точности. Устройство содержит генераторы СВЧ 1, 2, ослабители 3, 4, генератор 5 парафазного пр моугольного напр жени , блоки 6, 7 выделени отраженного сигнала, выключатели 8, 9, двойные волноводные тройники 10, 11, измерительные чейки 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 достигаетс благодар ведению блоков 6, 7, выключателей 8,9, смесител 14 и усилител 15. 1 ил. /4 Ё VJ О со ю (Я елThe invention relates to a technique for non-destructive testing of materials using microwave oscillations and can be used to determine the amount of a substance according to the value of selective absorption of electromagnetic energy. The purpose of the invention is to increase accuracy. The device contains microwave generators 1, 2, attenuators 3, 4, generator 5 paraphase rectangular voltage, blocks 6, 7 of the reflection signal, switches 8, 9, double waveguide tees 10, 11, measuring cells 12, 13, balanced mixer 14 , a selective differential frequency amplifier 15, a microwave detector 16, a logarithm 17, an envelope amplifier 18, a synchronous detector 19 and an indicator 20. Accuracy improvement is achieved by maintaining blocks 6, 7, switches 8.9, mixer 14 and amplifier 15. 1 Il. / 4 Ё VJ Oh sou (I ate

Description

Изобретение относитс к области неразрушающего контрол материалов с использованием микроволн (СВЧ-колебаний) и. может быть использовано дл определени количества вещества (примесей, включений , добавок, пропиток, наполнителей и т.п.) в жидкост х, газообразных и твердых материалах по величине селективного поглощени электромагнитной энергии.This invention relates to the field of non-destructive testing of materials using microwaves (microwave oscillations) and. It can be used to determine the amount of a substance (impurities, inclusions, additives, impregnations, fillers, etc.) in liquids, gaseous and solid materials by the amount of selective absorption of electromagnetic energy.

Известно устройство определени количества вещества по величине селективного поглощени микроволнового излучени (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 распростран ютс через датчик поглощени с исследуемым материалом, гетеродин, смеситель, избирательный усилитель, детектор и измеритель амплитуды, огибающий низкочастотного сигнала.A device is known for determining the amount of a substance by the magnitude of the selective absorption of microwave radiation (see, for example, Brandt A, A. Study of dielectrics at ultrahigh frequencies. - M .: Gos. Publishers of Physics and Mathematics, 1963, pp. 224-225, and 282-283), comprising a source of modulated microwave oscillations that propagate through an absorption sensor with the material under study, a local oscillator, a mixer, a selective amplifier, a detector and an amplitude meter, the envelope of the low-frequency signal.

Недостатком устройства вл етс невысока точность определени количества вещества из-за неконтролируемых изменений амплитуды низкочастотного напр жени , вызываемых нестабильностью мощностей генерируемых СВЧ-колебаний, нестабильностью характеристик смесител , усилителей и т.п. При малых количествах исследуемого вещества трудно обнаружить малые изменени затухани датчика на фоне неконтролируемых изменений мощностей детектируемых СВЧ-колебаний.The drawback of the device is the low accuracy of determining the amount of a substance due to uncontrolled changes in the amplitude of the low-frequency voltage caused by the instability of the powers generated by the microwave oscillations, the instability of the characteristics of the mixer, amplifiers, etc. With small quantities of the test substance, it is difficult to detect small changes in the attenuation of the sensor against the background of uncontrolled changes in the power of the detected microwave oscillations.

Известно устройство определени количества вещества по величине селективного поглощени СВЧ-колебаний (см., например, Дубицкий Л.Г. Радиотехнические методы контрол 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.A device is known for determining the amount of a substance by the magnitude of the selective absorption of microwave oscillations (see, for example, Dubitsky LG, Radio Technical Methods for Control of Products, -M .: State Scientific and Technical Ed. Of engineering literature, 1963, pp. 306-307) containing a source of simulated microwave oscillations, a divider into two channels: one with the material under study, the second with a reference material, a detector, an envelope amplifier and a meter of its amplitude.

Сравнение с эталонным материалом не исключает ошибки в определении качества вещества в контролируемом материале из- за вли ни посторонних примесей и загр знений в исследуемом материале, которые не создают селективное поглощение на заданной частоте, но измен ют общее затухание датчика. На фоне неконтролируемых изменений общего затухани измерительного датчика также трудно обнаружить малое количество исследуемого вещества, вызывающих дополнительное ослабление сигнала.Comparison with a reference material does not exclude errors in determining the quality of a substance in a controlled material due to the influence of impurities and contaminants in the test material, which do not create selective absorption at a given frequency, but change the overall attenuation of the sensor. Against the background of uncontrolled changes in the total attenuation of the measuring sensor, it is also difficult to detect a small amount of the analyte that causes additional signal attenuation.

Наиболее близким по технической сущности к за вл емому устройству вл етс двухчастотный СВЧ-измеритель количества влаги в диэлектрических материалах (авт.св.The closest in technical essence to the claimed device is a dual-frequency microwave measuring instrument for the amount of moisture in dielectric materials (auth.st.

№ 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 регул торы мощности, первый двойной вол0 новодный тройник, к выходам которого подключены согласованна нагрузка и первый СВЧ-детектор, выход которого соединен с усилител ми, один из которых через первый синхронный детектор и первый фильтр ниж5 них частот соединен с управл ющим входом первого регул тора мощности, второй - через второй фильтр нижних частот соединен с управл ющим входом второго регул тора мощности, второй волноводный тройник, кNo. 1504584, cl. G 01 N 22.04, 1987, BI No. 32, 1989), containing the first and second manipulated microwave generators, to the output of which the first and second power controllers are connected, the first double wave tee, to the outputs of which a matched load and the first are connected. The microwave detector, the output of which is connected to amplifiers, one of which is connected to the control input of the first power regulator through the first synchronous detector and the first low-pass filter, is connected to the control input of the second power regulator through the second low-pass filter The second waveguide tee to

0 выходам которого подключены согласованна нагрузка и передающа антенна, к приемнойантеннеподключены последовательно соединенные второй СВЧ- детектор, логарифмический преобразова5 тель, регулирующий детектор и измерительный прибор, источник опорного напр жени и низкочастотный парафазный импульсный генератор, выходы которого соединены с управл ющими входами СВЧ-ге0 нераторов и синхронных детекторов.0 outputs of which are connected matched load and transmitting antenna, serially connected second microwave detector, logarithmic converter, regulating detector and measuring device, reference voltage source and low-frequency paraphase pulse generator, outputs of which are connected to control inputs of microwave generator, are connected to antenna; and synchronous detectors.

Недостатком известного устройства вл етс невысока точность определени количества искомого вещества в исследуемом материале, особенно малых количествах.A disadvantage of the known device is the low accuracy of determining the amount of the desired substance in the test material, especially small amounts.

5 Так, при отсутствии искомого вещества в материале сравниваемые напр жени не равны из-за неконтролируемого поглощени 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 частот5 Thus, in the absence of the desired substance in the material, the compared stresses are not equal due to the uncontrolled absorption of electromagnetic energy by the main mass of the material under study, and their ratio depends not only on the amount of the desired substance, but also on the mass of the studied material, its density and temperature. In addition, the ratio of the oscillation powers of two close frequencies

5 зависит от степени неравномерности частотных характеристик как самого датчика поглощени (волноводного или антенного), так и элементов СВЧ-трактов. Начальное неравенство сравниваемых напр жений5 depends on the degree of non-uniformity of the frequency characteristics of both the absorption sensor itself (waveguide or antenna) and the elements of the microwave paths. Initial inequality of compared stresses

0 при отсутствии искомого вещества в исследуемом материале, т.е. отсутствие стабильного нул , а также неидентичность и нестабильность коэффициентов передач преобразовательных СВЧ-трактов не позво5 л ют достоверно оценивать наличие малых количеств примесей, включений, добавок и т.п. в исследуемых материалах.0 in the absence of the desired substance in the test material, i.e. the absence of a stable zero, as well as the non-identity and instability of the transmission coefficients of the converter microwave paths, make it impossible to reliably estimate the presence of small amounts of impurities, inclusions, additives, etc. in the studied materials.

Целью насто щего изобретени вл етс повышение точности определени коли- чества вещества в исследуемом материалеThe purpose of the present invention is to improve the accuracy of determining the amount of a substance in a test material.

путем исключени вли ни неселективных поглощений в самом датчике с исследуемым материалом на величину селективного поглощени СВЧ-колебаний, а также неравномерности его частотной характеристики, нестабильности и неравномерности коэффициентов передач и чувствительности элементов СВЧ-трактов.by eliminating the influence of non-selective absorption in the sensor with the material under study on the amount of selective absorption of microwave oscillations, as well as the non-uniformity of its frequency response, instability and uneven transmission coefficients and sensitivity of the elements of the microwave paths.

Устройство представлено на чертеже.The device shown in the drawing.

Устройство содержит первый и второй СВЧ-генераторы 1 и 2, разв зывающие аттенюаторы 3, 4, низкочастотный управл ющий генератор 5, блоки 6, 7 выделени отраженного сигнала, плечи 8, 9 СВЧ-пере- ключател двойные тройники 10 11, датчики поглощени 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.The device contains the first and second microwave generators 1 and 2, decoupling attenuators 3, 4, low-frequency control generator 5, blocks 6, 7 of the reflection signal selection, shoulders 8, 9, microwave switch double tees 10 11, absorption sensors 12 , 13, a mixer 14, a differential-frequency selective amplifier 15, an amplitude detector 16, a logarithmic converter 17, a signal envelope amplifier 18, a synchronous detector 19, and a measuring instrument 20.

К выходу СВЧ-генератора 1 через разв зывающий аттенюатор 3, блок 7 выделени отраженного сигнала подключено плечо 9 СВЧ-переключател , а к выходу СВЧ-генератора 2 через разв зывающий аттенюатор 4, блок 6 выделени отраженного сигнала подключено плечо 8 СВЧ-переключател . Выходы плеч 8, 9 СВЧ-переключател соединены с входами Е и Н двойного тройника 10, к выходу которого подключены последовательно соединенные датчики 12 поглощени , 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 выделени отраженного сигнала соединены с выходами Е и Н двойного тройника 11, выход которого через датчик 13 поглощени соединен с вторым входом смесител 14. Управл ющие входы плеч 8, 9 СВЧ-переключател соединены с управл ющими входами синхронного детектора 19 и противофазными выходами низкочастотного генератора 5.The output of the microwave generator 1 is connected via the decoupling attenuator 3, the reflection signal selection unit 7 is connected to the upper arm 9 of the microwave switch, and to the output of the microwave generator 2 via the isolating attenuator 4, the reflection selector unit 6 is connected to the microwave switch 8. The outputs of the shoulders 8, 9 of the microwave switch are connected to the inputs E and H of a double tee 10, to the output of which are connected in series connected absorption sensors 12, a mixer 14, a selective amplifier 15, an amplitude detector 16. a logarithmic converter 17, an amplifier 18, a synchronous detector 19 and The measuring device 20, the second outputs of the blocks 6, 7 of the reflection signal are connected to the outputs E and H of the double tee 11, the output of which is connected via the absorption sensor 13 to the second input of the mixer 14. The control inputs of the arms 8, 9 microwave switch L are connected with the control inputs of the synchronous detector 19 and the antiphase outputs of the low frequency generator 5.

Устройство работает следующим образом: сверхвысокочастотные генераторы 1 и 2 генерируют колебани близких частот, которые через разв зывающие аттенюаторы 3 и 4, блоки выделени отраженных сигналов 6 и 7 и плечи 8 и 9 двухпозиционного СВЧ- переключател и двойного тройника 10 поступают в датчик поглощени 12 поочередно. Так, колебани генератора 1 через блок 7 выделени отраженного сигнала , открытое плечо 9 СВЧ-переключател поступают на вход Е двойного волноводно- го тройника 10. СВЧ-колебани генератора 2 проход т через блок 6 выделени отраженного сигнала и поступают на закрытое плечо 8 СВЧ-переключател , который управл етс пр моугольным напр жением низкочастотного генератора 15. Отраженные от закрытого плеча 8 СВЧ-колебани через блок 6 поступают на плечо Н двойного волноводного тройника 11.The device works as follows: microwave generators 1 and 2 generate oscillations of close frequencies, which through decoupling attenuators 3 and 4, blocks the selection of reflected signals 6 and 7 and shoulders 8 and 9 of the on-off microwave switch and double tee 10 enter the absorption sensor 12 alternately . Thus, oscillations of the generator 1 through the reflection signal extraction unit 7, the open arm 9 of the microwave switch arrive at the input E of the double waveguide tee 10. The microwave oscillations of the generator 2 pass through the reflection signal extraction unit 6 and arrive at the closed arm 8 of the microwave signal a switch that is controlled by the rectangular voltage of the low-frequency oscillator 15. The microwave oscillations reflected from the closed arm 8 through the block 6 are fed to the arm H of the double waveguide tee 11.

В последующий полупериод управл ющего напр жени генератора 5 плечо 9In the subsequent half-period of the control voltage of the generator 5 arm 9

0 СВЧ-переключател закрываетс , а плечо 8 - открываетс . Колебани генератора 2 через открытое плечо 8 поступают на вход Н двойного тройника 10, а колебани генератора 1, отраженные от закрытого плеча 9,0 The microwave switch closes and shoulder 8 opens. The oscillations of the generator 2 through the open shoulder 8 arrive at the input H of the double tee 10, and the oscillations of the generator 1 reflected from the closed shoulder 9,

5 через блок 7 выделени отраженного сигнала поступают на вход Е двойного волноводного тройника 11. Благодар поочередной работе плеч 8, 9 СВЧ-переключател с выхода тройника 10 на датчик 12 с исследуемым5 through the block 7 of the selection of the reflected signal is fed to the input E of the double waveguide tee 11. Thanks to the alternate operation of the arms 8, 9, the microwave switch from the output of the tee 10 to the sensor 12 with the test

0 материалом поступают поочередно пакеты СВЧ-колебаний близких частот, которые испытывают различное затухание в зависимости от количества искомого вещества в исследуемом материале. С выхода тройника0 material receives alternately packets of microwave oscillations of close frequencies, which experience different attenuation depending on the amount of the desired substance in the material under study. From the exit tee

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.5 11 to the sensor 13 with the reference material, in which the desired substance is absent, alternately receive packets of the same microwave oscillations, but with opposite alternation of close frequencies.

0В результате смешивани СВЧ-колебаний близких частот в смесителе 14 образуютс колебани разностной частоты, которые выдел ютс избирательным усилителем 15, настроенным на разностную час5 тоту. Пакеты колебаний разностной частот ы поочередно детектируютс амплитудным детектором 16 и образовавшиес видеоимпульсы подвергаютс функциональному преобразованию в логарифмическом преоб0 разователе 17.By mixing microwave oscillations of near frequencies in the mixer 14, oscillations of the difference frequency are generated, which are produced by a selective amplifier 15 tuned to a differential frequency. The difference frequency waveform packets are alternately detected by the amplitude detector 16 and the resulting video pulses are subjected to a functional transformation in a logarithmic converter 17.

При наличии искомого вещества в исследуемом материале прологарифмированные видеоимпульсы имеют разные амплитуды, что вызывает по вление низко5 частотной огибающей частоты переключени в выходном напр жении логарифмического преобразовател 17.When the desired substance is present in the material under study, the prologized video pulses have different amplitudes, which causes the appearance of a low 5 frequency switching frequency envelope in the output voltage of the logarithmic converter 17.

Низкочастотное напр жение частоты следовани пакетов СВЧ-колебаний усили0 ваетс низкочастотным усилителем 18 огибающей видеоимпульсов и выпр мл етс синхронным детектором 19, который управл етс непосредственно пр моугольным напр жением генератора 5. Выпр мленноеThe low-frequency voltage of the frequency of the microwave packets is amplified by the low-frequency amplifier 18 of the video pulses and is rectified by a synchronous detector 19, which is controlled directly by the square voltage of the generator 5. Straightened

5 напр жение, пропорциональное количеству искомого вещества, измер етс и регулируетс измерительным прибором 20.5, the voltage proportional to the amount of the substance sought is measured and adjusted by the meter 20.

В случае отсутстви искомого вещества в исследуемом материале на выходе логарифмического преобразовател 17 исчезаетIn the absence of the desired substance in the test material at the output of the logarithmic converter 17 disappears

огибающа частоты переключени и прибор 20 фиксирует нулевое значение независимо от уровн 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, измен ющей начальное затухание материала, помещенного в датчик, и т.д. Таким образом, в схеме устройства обеспечен стабильный нулевой отсчет, что позвол ет обнаруживать и количественно оценивать малые количества примесей, включений, добавок в исследуемом материале .The envelope of the switching frequency and the device 20 fixes a zero value regardless of the power level of the generated microwave oscillations of two close frequencies, absorption of electromagnetic energy in the material under study that does not contain the impurities of the substance under investigation, irregularity of the frequency characteristics of sensors 12, 13 with the test and reference material, temperature, the initial attenuation of the material placed in the sensor, etc. Thus, a stable zero reading is provided in the device circuit, which allows detecting and quantifying small amounts of impurities, inclusions, and additives in the material under study.

При наличии искомого вещества в исследуемом материале в выходном напр жении логарифмического преобразовател 17 по вл етс низкочастотна огибающа , котора после усилени и выпр млени измер етс прибором 20,With the presence of the desired substance in the material under study, in the output voltage of the logarithmic converter 17 a low-frequency envelope appears, which, after amplification and rectification, is measured by the device 20,

За вл емое устройство апробировано в СВЧ-измерителе количества низкомолекул рных 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 определ ютс собственными частотами двух резонаторов генераторов. Значени этих частот выбраны около 10-15 ГГц, разность частот составл ет 30-50 МГц. В качестве блоков выделени отраженных сигналов используютс автоматический двухпозиционный переключатель, выполненный на p-i-n-диодах, например, типа КА 543А, обеспечивающих потери пропускани не более 1,5 дБ и потери запирани 70 дБ в диапазоне частот 10-15 ГГц. Смеситель СВЧ-колебаний выполнен по балансной схеме на смесительных диодах ЗАНОЗА 17, котора обеспечивает разв зку между входными сигналами не менее 25 дБ Остальные блоки схемы выполнены натипо вых элементах СВЧ- и ВЧ-техники. Экспери ментально определенна погрешностьThe device was tested in a microwave meter for the amount of low molecular weight compounds (HC) in the process of extraction of polycaproamide chips in the production of nylon fiber. As generators of two oscillations of similar frequency in the microwave meter, made according to the considered scheme, microwave generators on two Gunn diodes of the AA715-AA716 type were used. The close frequencies of the oscillators are determined by the natural frequencies of the two oscillator resonators. The values of these frequencies are about 10-15 GHz, the frequency difference is 30-50 MHz. As a block for the separation of reflected signals, an automatic two-way switch is used, made on p-i-n-diodes, for example, type KA 543A, providing transmission losses of no more than 1.5 dB and locking losses of 70 dB in the frequency range 10-15 GHz. The microwave oscillation mixer is made according to a balanced circuit on the mixing diodes ZANOZA 17, which provides at least 25 dB separation between the input signals. The rest of the circuit blocks are made of microwave and high-frequency elements. Experimentally mentally determined error

Claims

measuring the amount of HC in extract did not exceed + 0.05% in the range of 0.1-2%. The invention The device for determining the amount of a substance containing the first and second

microwave generators, to the outputs of which the first and second attenuators are connected, respectively, the first and second double waveguide tees, to the first inputs of which are connected the first and second

matched loads; to the second outputs, the first and second measuring cells for the test substance, serially connected microwave detector, logarithm, envelope amplifier, synchronous

a detector and an indicator as well as a paraphase rectangular voltage generator whose outputs are connected to the reference inputs of a synchronous detector, characterized in that, in order to increase

accuracy, the output of the first attenuator is connected to the E input of the first double waveguide tee through the first reflected wave unit and the first switch introduced in series, the output of the second attenuator is connected to the H input of the first double waveguide tee through the serially connected second unit of reflected wave output and the second switch, the outputs of the first and second measuring cells are connected to the inputs of the entered balanced mixer, the output of which through the input selective ilitel difference frequency is coupled to the input of the microwave detector, the inputs of the first reflected wave and the second reflected wave detection unit are connected to the E and H-inputs of the second double-tee waveguide and guides control

the inputs of the first and second switches are connected to the outputs of a paraphase rectangular voltage generator.