Способ определения герметичности закупоренных банок

 

Изобретение используется в измерительной технике при определении герметичности консервных банок и позволяет уменьшить погрешность контроля. Способ основан на использовании характеристик открытого измерительного резонатора, возбужденного электромагнитными колебаниями, и предусматривает одновременное измерение собственной резонансной частоты и добротности резонатора с последующим аналитическим преобразованием указанных параметров, содержащих информацию о герметичности консервных банок. 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами.

Известен способ, реализуемый автоматической системой контроля герметичности (см. Systeme de controle automatique detancheite, Instrumention ef systemes, okt. 1980, с. 40 - 41), в котором по виду оптической картинки судят о герметичности предмета, освещенного источника света.

Недостатком этой системы является ненадежность в работе из-за повышенной запыленности и влажности окружающей среды.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятый автором за прототип способ определения герметичности (см. Сб. научных трудов "Автоматизация технологического и энергетического оборудования в рыбной промышленности". Калининград, 1989, с. 96). Устройство, реализующее указанный способ, содержит рупорную приемопередающую антенну, осуществляющую передачу и прием электромагнитных колебаний СВЧ-генератора, детекторную секцию и индикатор. В этой разработке по амплитуде стоячей волны, образованной в пространстве между приемопередающей рупорной антенной и поверхностью контролируемого объекта, получают информацию о герметичности.

Недостатком этой разработки следует считать погрешность, обусловленную изменением высоты контролируемого изделия.

Задачей заявляемого технического решения является повышение точности контроля герметичности.

Поставленная задача достигается тем, что в способе определения герметичности закупоренных банок, при котором на контролируемую банку воздействуют электромагнитными волнами микроволнового генератора и по радиусу прогиба крышки банки судят о ее герметичности, электромагнитные колебания возбуждают в открытом резонаторе, образованном поверхностью контролируемой банки и плоским отражателем, устанавливаемым между микроволновым генератором и контролируемой банкой, измеряют собственную резонансную частоту и добротность указанного резонатора и определяют радиус прогиба l_r крышки контролируемой банки по формуле где C - скорость распространения электромагнитной волны; α - относительная потеря энергии; q - постоянное число; ω - резонансная частота; Δω - частотная ширина резонансной кривой.

Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных признаков, состоит в том, что по преобразованию двух информативных параметров (частоты и добротности) открытого резонатора судят о герметичности банок.

Наличие в заявляемом способе совокупности перечисленных существенных признаков позволяет решить поставленную задачу определения герметичности закупоренных банок на базе открытых резонаторов с желаемым результатом, т.е. высокой точностью измерения.

На чертеже приведена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит генератор качающейся частоты 1, плоский отражатель 2, установленный между генератором и поверхностью контролируемого объекта 3, входной элемент связи 4, выходной элемент связи 5, подключенный ко входу детектора 6 и индикатор 7.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Когда охлаждается укупоренная разогретая банка, под ее крышкой образуется частичный вакуум, приводящий к легкому пригибанию крышки. При правильной укупорке поверхность крышки становится вогнутой, а при плохой укупорке крышка имеет плоскую формую. В соответствии с этим в заявляемом способе, основанном на использовании характеристик открытых резонаторов, оценка радиуса прогиба крышки может дать информацию о степени герметичности закупоренных банок.

Как известно, собственная резонансная частота возбужденных в открытом резонаторе электромагнитных колебаний, образованном двумя металлическими плоскими отражателями, при предположении малой величины дифракционных потерь (P ≃ 0) может быть вычислена по формуле где l - расстояние между металлическими отражателями; q - большое число (практически q > 3);
C - скорость распространения электромагнитной волны между отражателями.

Если крышку контролируемой банки использовать как один из двух отражателей, то для ω с учетом l=l₁+l_r, где l₁ - расстояние между отражателями без прогиба крышки (случай плоской формы поверхности крышки), l_r - радиус прогиба крышки (случай вогнутой поверхности крышки), можно записать

Отсюда для искомой l_r получаем

Из формулы видно, что при постоянном значении l₁ по резонансной частоте можно судить о радиусе прогиба крышки, т.е. о степени герметичности закупоренной банки.

Однако при изменении высоты контролируемой банки может иметь место изменение l₁, приводящее к погрешности контроля герметичности.

Согласно предлагаемому способу путем одновременного измерения резонансной частоты (ω) и добротности (Q) указанного измерительного резонатора можно исключить погрешности по высоте банки.

Добротность Q измерительного резонатора может быть определена как

где α - относительная потеря энергии при единичном взаимодействии волны с отражателем, равная сумме дифракционных потерь и потерь на отражение;
λ - длина электромагнитной волны.

В рассматриваемом случае при отсутствии прогиба (т.е. l_r=0) и при изменении высоты контролируемой банки для расстояния можно записать
l=L-h,
где h - высота банки,
L - расстояние от плоского отражателя измерительного резонатора до основания, на котором расположена контролируемая банка.

Тогда для добротности получаем

Отсюда для h имеем

При наличии прогиба и изменении высоты h (т.е. l_r=var и h=var) для l имеем
l=L-h+l_r.

В результате для ω имеем следующее выражение:
πqC = 2ωL - 2ωh + 2ωl_r (2).
После подстановки в уравнение (2) вместо h выражение (1) можно записать
2π²qC = 2ωQαλ + 4ωπl_r.
С учетом того что и Q= (Δω - частотная ширина резонансной кривой), для l_r получаем

Из полученного выражения видно, что при одновременном измерении резонансной частоты и добротности измерительного резонатора можно обеспечить независимость результата измерения герметичности от высоты контролируемой банки.

Устройство, реализующее предлагаемый способ работает следующим образом. Выходным сигналом генератора качающейся частоты 1, прошедшим через входной элемент связи 4, возбуждают электромагнитные колебания в измерительном резонаторе, образованном поверхностью контролируемой банки 3 и плоским отражателем 2, установленным между генератором и объектом контроля.

В рассматриваемом случае для измерения собственной резонансной частоты и добротности указанного резонатора электромагнитный сигнал с помощью выходного элемента связи 5 поступает на вход детектора 6. После этого продетектированный сигнал воспроизводится в индикаторе 7.

В устройстве по вершине осциллограммы частотной характеристики, наблюдаемой на экране используемого в качестве индикатора, например прибора для исследования амплитудно-частотной характеристики, определяется собственная резонансная частота ω измерительного резонатора, а по отношению частоты ω к частотной ширине Δω резонансной кривой на уровне половины мощности - добротность.

При изменении радиуса прогиба крышки банки резонансная кривая уширяется, сдвигается и уменьшается по амплитуде и, как следствие этого, будет иметь место сдвиг резонансной частоты и добротности открытого резонатора.

Пусть ω_o - частота резонатора, соответствующая расстоянию между отражателями без прогиба крышки; ω_т - частота, соответствующая текущему значению длины радиуса l_r. Тогда по разности ω_т - ω_o (при ω_т > ω_o) можно определить сдвиг частоты, связанный с изменением радиуса прогиба крышки от 0 до максимума. Аналогично по отношению измеренных частот ω_o и ω_т к соответствующим частотным ширинам Δω_o и Δω_т резонансной кривой можно оценить уход добротности, обусловленный изменением радиуса прогиба крышки в указанном диапазоне.

Таким образом, согласно предлагаемому способу на основе одновременного измерения собственной резонансной частоты и добротности открытого резонатора можно обеспечить контроль герметичности закупоренных банок более высокой точности измерения.

Формула изобретения

Способ определения герметичности закупоренных банок, при котором на крышку банки воздействуют электромагнитными волнами микроволнового генератора и по радиусу прогиба крышки банки судят о ее герметичности, отличающийся тем, что электромагнитные колебания возбуждают в открытом резонаторе, образованном поверхностью крышки банки и плоским отражателем, устанавливаемым между микроволновым генератором и крышкой банки, определяют собственную резонансную частоту и частотную ширину резонансной кривой открытого резонатора и рассчитывают радиус прогиба l_r крышки банки по формуле

где C - скорость распространения электромагнитной волны;
α - относительная потеря энергии;
q - постоянное число;
ω - собственная резонансная частота открытого резонатора;
Δω - частотная ширина резонансной кривой открытого резонатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1