способ определения герметичности закупоренных банок из диэлектрического материала

Формула изобретения

Способ определения герметичности закупоренных банок из диэлектрического материала, при котором на крышку банки воздействуют электромагнитными колебаниями, возбужденными в открытом резонаторе, образованном наружной поверхностью крышки банки и плоским отражателем, установленным между первым микроволновым генератором и крышкой банки, и по радиусу прогиба крышки банки с учетом собственной резонансной частоты открытого резонатора судят о герметичности банки, отличающийся тем, что зондируют внутреннюю поверхность крышки банки частотно-модулированными колебаниями второго микроволнового генератора, смешивают эти зондирующие колебания с отраженными от зондируемой внутренней поверхности крышки колебаниями, измеряют частоту биений смешанных колебаний и радиус прогиба крышки банки l_r определяют по формуле

где - диэлектрическая проницаемость содержащегося в банке вещества; с - скорость распространения волны в свободном пространстве; q - целое число; - собственная резонансная частота открытого резонатора; F - частота биений; f и f_м - диапазон изменения частоты и девиация частоты частотно-модулированных колебаний соответственно.

Описание изобретения к патенту

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

Известен способ, реализуемый устройством (см. сб. научных трудов «Автоматизация технологического и энергетического оборудования в рыбной промышленности», Калининград, 1989, стр.96), содержащим рупорную приемо-передающую антенну, СВЧ-генератор и детектор. В этой разработке по амплитуде стоячей волны, образованной в пространстве между приемо-передающей рупорной антенной и поверхностью банки, получают информацию о герметичности.

Недостатком этого способа следует считать погрешность, обусловленную изменением высоты контроллируемого изделия.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятый автором за прототип способ определения герметичности закупоренных банок (патент РФ № 2120606, 20.10.98. БИ. № 29), основанный на колебательных характеристиках открытого резонатора, возбужденного электромагнитными колебаниями. В этом способе по аналитическому преобразованию измеренных значений резонансной частоты и добротности открытого резонатора судят о герметичности банок.

Недостатком этого известного способа можно считать невысокую точность, связанную со сложностью измерения добротности открытого резонатора.

Задачей заявляемого технического решения является повышение точности контроля герметичности.

Поставленная задача достигается тем, что в способе определения герметичности закупоренных банок из диэлектрического материала, при котором на крышку банки воздействуют электромагнитными колебаниями, возбужденными в открытом резонаторе, образованном наружной поверхностью крышки банки и плоским отражателем, установленным между первым микроволновым генератором и крышкой банки, и по радиусу прогиба крышки банки с учетом собственной резонансной частоты открытого резонатора судят о герметичности банки, дополнительно зондируют внутреннюю поверхность крышки банки частотно-модулированными колебаниями второго микроволнового генератора, смешивают эти зондирующие колебания с отраженными от зондируемой внутренней поверхности крышки колебаниями, измеряют частоту биений смешанных колебаний и радиус прогиба крышки банки l_r определяют по формуле:

где - диэлектрическая проницаемость содержащегося в банке вещества; с - скорость распространения волны в свободном пространстве; q - целое число; - собственная резонансная частота открытого резонатора; F - частота биений; f и f_м - диапазон изменения частоты и девиация частоты частотно-модулированных колебаний соответственно.

Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных признаков состоит в том, что по аналитическому преобразованию собственной резонансной частоты открытого резонатора и частоты биений смешанных зондирующих и отраженных частотно-модулированных колебаний получают информацию о герметичности закупоренных банок из диэлектрического материала.

Наличие в заявляемом способе совокупности перечисленных существенных признаков позволяет решить поставленную задачу определения герметичности закупоренных банок на основе измерения собственной резонансной частоты открытого резонатора и частоты биений смешанных зондирующих и отраженных частотно-моделированных колебаний с желаемым результатом, т.е. высокой точностью измерения.

На чертеже приведена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит первый микроволновый генератор 1, входной элемент связи 2, выходной элемент связи 3, измеритель резонансной частоты 4, циркулятор 5, тройник 6, второй микроволновый генератор 7, смеситель 8, измеритель частоты биений 9, плоский отражатель 10, установленный между первым микроволновым генератом и наружной поверхностью крышки контролируемой банки 11, и блок преобразования 12. На чертеже цифрой 13 обозначено основание, на котором установлена контролируемая банка.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Если вогнутую наружную поверхность крышки правильно укупоренной банки из диэлектрического материала использовать как один из двух отражетелей открытого разонатора, то для его собственной резонансной частоты мжно записать:

где q - большое число (практически q>3), с - скорость распространения электромагнитной волны между отражателями, l₁ - расстояние между отражателями без прогиба крышки (случай плоской формы поверхности крышки, соответствующий плохой укупорки), l_r - радиус прогиба наружной поверхности крышки.

Из формулы (1) видно, что при постоянном значении l₁ по резонансной частоте открытого резонатора можно судить о радиусе прогиба крышки l _r, т.е. о степени герметичности укупоренной банки. Однако при изменении высоты контролируемой банки может иметь место изменение l₁, приводящее к погрешности в определении герметичности.

Анализ показывает, что при изменении одновременно высоты банки h и l_r в формуле (1) вместо l₁ следует использовать l ₁=L-h, где L - расстояние от плоского отражателя измерительного резонатора до основания, на котором расположена контролируема банка. В результате формула (1) примет вид:

Согласно предлагаемому способу для исключения влияния измнения высоты банки на результат измерения герметичности, зондируют внутреннюю поверхность крышки банки частотно-модулированными колебаниями.

Если частота зондирующих внутреннюю поверхность крышки банки колебаний изменяется линейно во времени от f _мин до f_мак, то мгновенное значение частоты падающих на внутреннюю поверхность крышки банки электромагнитных волн f_t1 в момент времени t ₁ будет равняться

где Т - период изменения частоты зондирующих колебаний. В момент же времени t₂ частота f _t2 этих волн будет равняться

В этот же момент времени возвратятся от внутренней поверхности крышки банки волны частотой f_t1 , излучаемые в момент времени t₁. Тогда при смешении зондирующих внутреннюю поверхность крышки банки электромагнитных колебаний с отраженными от этой поверхности электромагнитными колебаниями, создадутся бияния частоты F, равной разности частот этих колебаний, т.е.

Так как за интервал времени t ₂-t₁ волна проходит путь до внутренней поверхности крышки банки и обратно, можно написать, что

С учетом диэлектрической проницаемости содержащегося в банке вещества последнее выражение примет вид:

Здесь принимается, что диэлектрические проницаемости содержащегося в банке вещества и диэлектрического материала, из которого изготовлена банка, равны.

Подставляя значение t₂-t₁ из (4) в выражение (3), будем иметь

или, обозначая диапазон изменения частоты электромагнитных волн f_мак-f_мин через f полагая, что периодичность изменения равна f _м, т.е. , получим:

Из последней формулы видно, что при =const по частоте биений можно судить о степени герметичности. Однако при изменении h, как видно из формулы (5), может иметь место погрешность в измерении герметичности.

Совместное преобразование выражений (2) и (5) позволяет записать

Следовательно, при известных значениях f, f_м, путем измерения одновременно резонансной частоты открытого резонатора и частоты биений F модулированных по частоте колебаний, можно обеспечить определение герметичности укупоренной банки с исключением влияния высоты банки на результат измерения.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом. Выходным сигналом первого микроволнового генератора 1, прошедшим через входной элеменит связи 2, возбуждают электромагнитные колебания в измерительном резонаторе, образованном наружной поверхностью крышки контролируемой банки 11 и плоским отражателем 10, устанавливаемым между первым микроволновым генератором и объектом контроля. В рассматриваемом случае для измерения собственной резонансной частоты указанного резонатора сигнал с помощью выходного элемента связи 3 поступает на вход измерителя резонансной частоты 4, например прибора для исследования амплитудно-частотных характеристик (АЧХ). В последнем по положению пика резонансной кривой, наблюдаемой на экране прибора АЧХ, измеряют резонансную частоту , связанную с параметрами h и l_r. Одновременно с этим для зондирования внутренней поверхности крышки банки сигнал второго микроволнового генератора 7 поступает на первое плечо тройника 6, осуществляющего деление входного сигнала на два равных по величине сигнала. После этого один из этих двух сигналов со второго плеча тройника переносятся в первое плечо циркулятора 5. Согласно свойствам последнего зондирующий сигнал, образованный на втором плече циркулятора, направляется во внутреннюю поверхность крышки банки из диэлектрического материала. Отраженный от внутренней поверхности крышки банки сигнал улавливается вторым плечом циркулятора. Согласно свойствам циркулятора отраженный сигнал, образованный на третьем плече циркулятора, поступает на первый вход смесителя 8, на второй вход которого поступает также зондирующий сигнал с третьего плеча тройника. На выходе смесителя создается сигнал с частотой биений из-за разности частот, зондирующих внутренюю поверхность крышки банки и отраженных от нее колебаний. Для измерения величины этой частоты с выхода смесителя сигнал поступает на вход измерителя частоты биений 9, где отражается информация об одновременном изменении высоты банки и параметра l_r. Кроме этого выходной сигнал измерителя резонансной частоты поступает на первый вход блока преобразователя 12, на второй вход которого переносится сигнал с выхода измерителя частоты биений. В результате преобразования в блоке 12 указанных двух частотных сигналов, обеспечивается определение герметичности с исключением влияния изменения высоты банки.

Таким образом, согласно предлагаемому способу на основе одновременного измерения собственной резонансной частоты открытого резонатора и частоты биений двух модулированных по частоте колебаний, можно обеспечить контроль герметичности укупоренных банок из диэлектрического материала высокой точности измерения.