Бесконтактное радиоволновое устройство для измерения толщины диэлектрических материалов



Бесконтактное радиоволновое устройство для измерения толщины диэлектрических материалов
Бесконтактное радиоволновое устройство для измерения толщины диэлектрических материалов

 


Владельцы патента RU 2573627:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного и дистанционного определения толщины плоских диэлектрических материалов. Бесконтактное радиоволновое устройство для измерения толщины диэлектрических материалов содержит первый СВЧ-генератор, делитель мощности, первый и второй умножители частоты, антенны для излучения электромагнитных волн в сторону поверхности диэлектрической пластины по нормали к ней и приема отраженных волн, смеситель, вычислительный блок, соединенный с выходом смесителя. Устройство дополнительно содержит второй СВЧ-генератор, переключатель, первый циркулятор, первый вывод которого соединен с первым выводом делителя мощности, второй вывод соединен с первой антенной, третий вывод соединен через второй умножитель частоты с первым входом смесителя, второй циркулятор, первый вывод которого соединен со вторым выводом делителя мощности через первый умножитель частоты, второй вывод соединен со второй антенной, третий вывод соединен со вторым входом смесителя, при этом первый и второй СВЧ-генераторы соединены с первым и вторым входами переключателя, управляющий вход переключателя соединен с вычислительным блоком, а его выход соединен с входом делителя мощности. Технический результат заключается в повышении точности измерения. 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного и дистанционного определения толщины плоских диэлектрических материалов, таких как листовое стекло, полимерные и композитные материалы, защитные покрытия, в том числе и непосредственно во время технологического процесса изготовления.

Известны устройства для дистанционного бесконтактного измерения толщины диэлектрических материалов, использующие фазовый метод измерения (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. - М.: Энергоатомиздат, 1989, 34 с.).

Этот метод точнее амплитудного, поскольку не зависит от возможной нестабильности мощности СВЧ-генератора. Однако его реализация может приводить к большим погрешностям из-за необходимости постоянной подстройкой нуля фазометра, которая возникает из-за того, что в производственных условиях расстояние до объекта измерения заранее точно неизвестно и, кроме этого, может меняться. Также на точность влияет вибрация прибора и технологической установки и перемещения контролируемого объекта.

Известно техническое решение - радиоволновый измеритель толщины диэлектрических материалов, использующий многочастотный фазовый метод, по технической сущности наиболее близкое к предлагаемому устройству и принятое в качестве прототипа (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. - М.: Энергоатомиздат, 1989. 49-51 с.).

Данное устройство содержит генератор сверхвысокочастотных (СВЧ) электромагнитных волн с частотой F1, соединенный через основной вывод первого направленного ответвителя с передающей антенной для излучения электромагнитных волн в сторону поверхности диэлектрической пластины по нормали к ней и вторым выводом через умножитель частоты на k со второй передающей антенной, также направленной в сторону поверхности диэлектрической пластины по нормали к ней. Прием отраженных волн осуществляется первой приемной антенной, соединенной через основной вывод второго направленного ответвителя и второй умножитель частоты на k с первым входом фазового детектора и второй приемной антенной, соединенной через основной вывод третьего направленного ответвителя со вторым входом фазового детектора. Вспомогательные выводы второго и третьего направленных ответвителей соединены с первым и вторым детектором. Сравнение фаз осуществляется по отношению к опорному сигналу, частота которого получается путем соответствующего умножения частоты измерительного канала. Так как электрические длины распространения волны в измерительном и опорном канале равны друг другу, разность фаз между ними будет зависеть только от толщины диэлектрической пластины, вне зависимости от расстояния между ней и антеннами датчика. Благодаря этому снижается влияние на результат измерения перемещения контролируемого объекта относительно датчика, а также вибрации технологической установки.

Однако данная измерительная система имеет существенный недостаток. Поскольку используется фазовый метод, то диапазон однозначного измерения толщины ограничен половиной длины волны электромагнитного колебания в материале, поделенной еще и на коэффициент умножения частоты k: , где с - скорость света вакууме, ε - относительная диэлектрическая проницаемость измеряемой пластины. Например, при F1=8 ГГц, k=4 м при диапазоне ε=1,1÷8. Это существенно снижает точность измерения при значительных изменениях в толщине пластины.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения.

Технический результат в предлагаемом устройстве достигается тем, что оно содержит первый СВЧ-генератор, делитель мощности, первый и второй умножители частоты, антенны для излучения электромагнитных волн в сторону поверхности диэлектрической пластины по нормали к ней и приема отраженных волн, смеситель, вычислительный блок, соединенный с выходом смесителя. Устройство также дополнительно содержит второй СВЧ-генератор, переключатель, первый циркулятор, первый вывод которого соединен с первым выводом делителя мощности, второй вывод соединен с первой антенной, третий вывод соединен через второй умножитель частоты с первым входом смесителя, второй циркулятор, первый вывод которого соединен со вторым выводом делителя мощности через первый умножитель частоты, второй вывод соединен со второй антенной, третий вывод соединен со вторым входом смесителя, при этом первый и второй СВЧ-генераторы соединены с первым и вторым входами переключателя, управляющий вход переключателя соединен с вычислительным блоком, а его выход соединен с входом делителя мощности.

Предлагаемое устройство поясняется чертежом, где приведена его структурная схема.

Устройство содержит СВЧ-генераторы - 1 и 2, переключатель - 3, делитель мощности - 4, первый циркулятор - 5, первую антенну - 6, первый умножитель частоты - 7, второй циркулятор - 8, вторую антенну - 9, второй умножитель частоты - 10, смеситель - 11, вычислительный блок - 12. Излучение антенн направлено по нормали к диэлектрической пластине 13.

Устройство работает следующим образом.

На первом этапе СВЧ-генератор 1 передает электромагнитные колебания с частотой F1 через переключатель 3, делитель мощности 4 и циркулятор 5 на антенну 6 и излучается по нормали к диэлектрической пластине 13. Принимаемая этой же антенной волна состоит из суммы двух волн, отраженных от передней и от задней поверхности диэлектрической пластины 13.

где τR=2R/c - время распространения электромагнитной волны до передней поверхности пластины и обратно; R - расстояние от антенны до пластины; с - скорость света в вакууме; А1 - амплитуда принимаемой волны от передней стороны пластины; - время распространения электромагнитной волны в пластине толщиной d и диэлектрической проницаемостью ε; А2 - амплитуда принимаемой волны от задней стороны пластины. После прохождения этой волны через циркулятор 5 и умножитель частоты 10, на вход смесителя 11 поступает сигнал:

где k - коэффициент умножения блока 7.

На второй вход смесителя 11 поступает сигнал, который от второго выхода делителя мощности 4 через умножитель частоты 7, циркулятор 8 и антенну 9 излучается по нормали к пластине 13, отражается от нее и возвращается обратно через эти же антенну и циркулятор:

Известно, что с ростом частоты СВЧ-генератора резко возрастает затухание в диэлектрических материалах. Это справедливо для частот, применяемых в радиолокации, от 1,5÷2 ГГц и выше. При кратном повышении частоты затухание для многих практических материалов возрастает в десятки и сотни раз. Можно выбрать такую частоту F1 и коэффициент k, что в уравнении (3), в отличие от уравнения (2), можно пренебречь вторым слагаемым. В результате для смесителя 11 опорным будет сигнал В (см. формулу (2)), имеющий временную задержку τR.

На выходе смесителя 10 после перемножения сигналов А с В выделится и поступит на вход вычислительного блока 12 фазовый сигнал φ1, зависящий лишь от времени распространения электромагнитной волны в диэлектрической пластине и не зависящий от расстояния R:

U=U0cos(φ1)=U0cos(2πkF1τd).

Поскольку то через фазу этого сигнала можно выразить толщину пластины:

С учетом того, что измеряемая фаза повторяется через период 2π, диапазон однозначного измерения толщины составит или

где λ1=с/kF1 - длина волны электромагнитного колебания, N- целое число полуволн укладывающееся на расстоянии толщины диэлектрической пластины. Эта измеряемая величина не будет зависеть от расстояния между антеннами и пластиной, поскольку время распространения τR учитывается в опорном канале смесителя.

После вычисления и запоминания фазы φ1 в вычислительном блоке 12, на следующем этапе измерений с этого блока подается сигнал на переключатель 3, в результате чего электромагнитные колебания от генератора 2 с частотой F2 через переключатель 3, делитель мощности 4 и циркулятор 5 поступают на антенну 6 и излучаются по нормали к диэлектрической пластине 13. Далее, согласно описанному выше процессу, получим в вычислительном блоке 12 фазу φ2. В результате можно записать соотношение:

где λ2=с/kF2 - длина волны электромагнитного колебания, N - то же самое целое число полуволн укладывающееся на расстоянии толщины диэлектрической пластины, при соблюдении некоторого условия, описанного ниже.

Из уравнений (4) и (5) следует, что а толщина диэлектрической пластины равна:

Диапазон однозначного определения толщины будет зависеть от разности частот kF1 и kF2. Если максимальная толщина измеряемых диэлектрических пластин равна dm, что и является критерием однозначности, то в этом случае имеем:

Тогда отсюда:

Так, например, при F1=8 ГГц, F2=7,9 ГГц, k=4 будем иметь k(F1-F2)=0,4 ГГц, а диапазон однозначного определения толщины dm будет равен

Вычисление толщины по формуле (6) с учетом ограничения (7) производится в вычислительном блоке 12, затем цикл измерения повторяется.

Таким образом, устройство по сравнению с прототипом приобрело новое свойство - высокую точность определения толщин плоских диэлектрических материалов при значительно увеличенном пределе однозначности.

Бесконтактное радиоволновое устройство для измерения толщины диэлектрических материалов, содержащее первый СВЧ-генератор, делитель мощности, первый и второй умножители частоты, антенны для излучения электромагнитных волн в сторону поверхности диэлектрической пластины по нормали к ней и приема отраженных волн, смеситель, вычислительный блок, соединенный с выходом смесителя, отличающееся тем, что содержит второй СВЧ-генератор, переключатель, первый циркулятор, первый вывод которого соединен с первым выводом делителя мощности, второй вывод соединен с первой антенной, третий вывод соединен через второй умножитель частоты с первым входом смесителя, второй циркулятор, первый вывод которого соединен со вторым выводом делителя мощности через первый умножитель частоты, второй вывод соединен со второй антенной, третий вывод соединен со вторым входом смесителя, при этом первый и второй СВЧ-генераторы соединены с первым и вторым входами переключателя, управляющий вход переключателя соединен с вычислительным блоком, а его выход соединен с входом делителя мощности.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройству для детектирования толщины и плоскостности пластин и полос в области применения ядерных технологий. Устройство включает C-образную раму, два источника излучения, установленные на верхнем плече C-образной рамы и расположенные с некоторым интервалом в направлении ширины стальной пластины/полосы, два ряда матриц детекторов - газонаполненных ионизационных камер, установленных на нижнем плече С-образной рамы и расположенных с некоторым интервалом в направлении движения пластины/полосы, коллиматоры, установленные ниже двух источников излучения, причем коллиматоры позволяют излучению от каждого источника облучать только соответствующий ряд детекторов, модули предварительных усилителей, соединенные с матрицами детекторов, устройство сбора данных, соединенное с модулями предварительных усилителей, компьютер для обработки и отображения данных, соединенный с устройством сбора данных, и систему подачи охлаждающей воды и сжатого воздуха, и систему управления для обеспечения эксплуатации и контроля системы.

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для определения толщины морских льдов, ледовой разведки, а также для радиозондирования ледников. Технический результат состоит в повышении точности измерения толщины льда.

Изобретение относится к способу измерения в режиме реального времени толщины пленки не содержащего хром покрытия на поверхности полосовой стали. Способ характеризуется тем, что включает следующие стадии: стадия 1: выбирают два растворимых в воде химических вещества, которые содержат элементы P, Ca, Ti, Ba или Sr и не вступают в реакцию с жидкостью для нанесения не содержащего хром покрытия; стадия 2: добавляют два растворимых в воде химических вещества, выбранные на стадии 1, в жидкость для нанесения не содержащего хром покрытия и перемешивают их до гомогенности, после чего изготавливают эталонный образец пленки покрытия; стадия 3: используют излучение, испускаемое прибором определения в автономном режиме толщины пленки, для возбуждения двух растворимых в воде химических веществ для получения характеристических спектров двух растворимых в воде химических веществ и, тем самым, определения толщины пленки покрытия эталонного образца; толщину пленки покрытия, определенную при использовании растворимого в воде химического вещества, которое обладает интенсивным характеристическим спектром, принимают за фактическую толщину пленки, в то время как толщину пленки покрытия, определенную при использовании растворимого в воде химического вещества, которое обладает слабым характеристическим спектром, принимают за измеренную толщину пленки, разницу между фактической толщиной пленки и измеренной толщиной пленки принимают за величину коррекции толщины; многократно проводят операции получения величин коррекции толщины, соответствующие измеренным толщинам пленки, в результате аппроксимации величин коррекции толщины и измеренной толщины пленки получают выражение корреляционной функции между измеренной толщиной пленки и величиной коррекции толщины; стадия 4: добавляют в жидкость для нанесения не содержащего хром покрытия растворимого в воде химического вещества, которое обладает слабым характеристическим спектром, и используют излучение, испускаемое прибором определения в режиме реального времени толщины пленки покрытия, для возбуждения вещества и для получения, таким образом, измеренной толщины пленки, после чего используют выражение корреляционной функции для получения величины коррекции толщины, и, в заключение, исходя из измеренной толщины пленки и величины коррекции толщины получают фактическую толщину пленки покрытия.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве переносного дистанционного измерителя толщины слоя нефти на поверхности воды. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено для определения состояния поверхности дорожного полотна, на котором возможно образование слоя воды, снега или льда.
Изобретение относится к технике определения толщины морских льдов. .

Изобретение относится к медицине, а именно к лучевой диагностике состояния костной ткани, и может быть использовано при определении таких заболеваний, как остеопороз и остеопатия.

Изобретение относится к измерительной технике. .

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

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

Изобретение относится к технике радиометрических измерений при обращении с радиоактивными веществами. Способ определения толщины солевого отложения, загрязненного радионуклидами природного происхождения, на внутренних поверхностях трубопроводов нефтегазодобывающих морских платформ, при котором определяют калибровочную зависимость коэффициента пропускания гамма-квантов от толщины солевого отложения в лабораторных условиях по заранее отобранным образцам трубопроводов разных моделей с солевыми отложениями разной толщины, измеряют скорость счета импульсов от фонового гамма-излучения на образце трубопровода без солевого отложения, измеряют скорости счета импульсов суммарного фонового гамма-излучения и гамма-излучения источника, определяют скорость счета импульсов от гамма-квантов источника, прошедших через образец трубопровода, измеряют скорости счета импульсов суммарного фонового гамма-излучения и гамма-излучения источника, определяют скорость счета импульсов от гамма-квантов источника, прошедших через исследуемый участок трубопровода, определяют коэффициент пропускания гамма-излучения исследуемого участка трубопровода, определяют толщину солевого отложения на исследуемом участке трубопровода по величине его коэффициента пропускания гамма-излучения и полученной калибровочной зависимости. Технический результат - повышение точности определения толщины солевого отложения на внутренней поверхности трубопровода, обеспечение контроля состояния трубопровода без отбора проб и без остановки технологического процесса добычи нефти, обеспечение возможности применения способа для нерадиоактивного солевого отложения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх