Устройство контроля веществ
DEVICE FOR CONTROLLING SUBSTANCES

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может использоваться в области неразрушающего контроля веществ, измерения статистических характеристик случайных процессов.
В неразрушающем контроле известен статистический метод, который повышает достоверность принятия решения при оценке качества материала, вещества или изделия. Здесь правильное слово метод, т.е. статистический метод оценивания качества материала, вещества или изделия.
При статистическом анализе случайных величин используется статистическое среднее значение вида [Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. - Москва: Радио и связь, 1982, с. 32].
называется характеристической функцией (х.ф.),
m
где V - параметр х.ф.;
η - случайная величина;
1
m - знак математического ожидания.
Преобразование выражения (1) приводит его к виду
m
m
A(V), B(V) - действительная и мнимая части х.ф. соответственно.
Известно устройство для измерения корреляционной функции сигнала [Ав. свидетельство №1422182, кл. G01R 25/00. Статистический анализатор. / Ю.М. Вешкурцев, Ю.И. Сысоев. Опубл. 15.09.1994 г. Бюл. №17].
m
Устройство содержит два аналого-запоминающих блока, два узла выборки и хранения, два аналого-цифровых преобразователя, два накапливающих сумматора, два отсчетных блока, вычислительное устройство, управляемый генератор тактовых импульсов, блок управления линией задержки, формирователь стробирующих импульсов. Принцип работы данного устройства состоит в измерении оценок действительной и мнимой частей х.ф. при разных значениях параметра V и определении корреляционной функции сигнала в соответствии с алгоритмом [Вешкурцев Ю.М. Прикладной анализ характеристической функции случайных процессов. - Москва: Радио и связь, 2003 г.]
m
V=mΔV; τ=nΔm; m=1, 2, 3, …; n=1, 2, 3, …;
ΔV - шаг дискретизации; Δτ - шаг дискретизации.
Недостатком данного устройства измерения являются ограниченные функциональные возможности, заключающиеся в том, что оно не может измерить ряд физических эффектов изменения физического поля веществом.
Из известных наиболее близким по технической сущности является устройство контроля материалов и веществ [Положительное решение по заявке №2011114694/28, G01R 23/16. Устройство контроля материалов и веществ. / Ю.М. Вешкурцев, Н.Д. Вешкурцев. Опубл. 20.10.2012. Бюл. №29], содержащее источник физического поля в составе соединенных последовательно генератора сигналов, модулятора, светодиода, к которым подключен последовательно элемент с объектом контроля, преобразователь физического поля, и, кроме того, последовательно включенные аналого-цифровой преобразователь, перемножитель, первую и вторую цепь преобразования, каждая из которых содержит последовательно соединенные функциональный преобразователь, накапливающий усредняющий сумматор, отсчетный блок, при этом выход первой цепи подключен к первому входу вычислительного устройства, а выход второй цепи присоединен ко второму входу вычислительного устройства, первый выход которого соединен с входами стробирования накапливающих усредняющих сумматоров, объединенных в шину «Время измерения», а второй выход вычислительного устройства подключен к свободному выходу перемножителя. Устройство имеет ограниченные функциональные возможности, поскольку контролирует качество материалов и веществ по результатам измерения поглощения энергии физического поля. Физические эффекты рассеяния, преломления, задержки физического поля веществом устройство не может измерить.
Задача предлагаемого изобретения - расширение функциональных возможностей устройства контроля веществ.
Указанная задача достигается благодаря тому, что в известное устройство, содержащее источник физического поля в составе соединенных последовательно генератора сигналов, модулятора, светодиода, к которым подключен последовательно элемент с объектом контроля, преобразователь физического поля, и, кроме того, последовательно включенные аналого-цифровой преобразователь, перемножитель, первую и вторую цепь преобразования, каждая из которых содержит последовательно соединенные функциональный преобразователь, накапливающий усредняющий сумматор, отсчетный блок, при этом выход первой цепи подключен к первому входу вычислительного устройства, а выход второй цепи присоединен к второму входу вычислительного устройства, первый выход которого соединен с входами стробирования накапливающих усредняющих сумматоров, объединенных в шину «Время измерения», а второй выход вычислительного устройства подключен к свободному входу перемножителя, согласно изобретению введен фазовый детектор с избирательной нагрузкой, к которой подключен вход аналого-цифрового преобразователя, выход преобразователя физического поля присоединен к первому входу фазового детектора, тогда как выход генератора сигналов подключен к второму входу фазового детектора.
На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства контроля веществ,
на фиг. 2 - блок-схема алгоритма вычисления.
Устройство контроля веществ содержит источник физического поля 1, элемент 2 с объектом контроля, преобразователь физического поля 3, фазовый детектор 4 с избирательной нагрузкой, аналого-цифровой преобразователь 5, перемножитель 6, первый 7 и второй 8 функциональные преобразователи, первый 9 и второй 10 накапливающие усредняющие сумматоры, первый 11 и второй 12 отсчетный блоки, вычислительное устройство 13, генератор сигналов 14, модулятор 15, светодиод 16.
Выход источника физического поля 1 присоединен к входу элемента 2 с объектом контроля, выход которого связан с входом преобразователя физического поля 3, у которого выход подключен к первому входу фазового детектора 4 с избирательной нагрузкой. К нагрузке детектора присоединен вход аналого-цифрового преобразователя 5, выход которого соединен с входом перемножителя, у которого выход одновременно подключен к входам первого 7 и второго 8 функциональных преобразователей, выход каждого из которых соответственно присоединен к входу первого 9 и второго 10 накапливающих усредняющих сумматоров. Вход первого 11 отсчетного блока соединен с выходом первого 9, а вход второго 12 отсчетного блока соединен с выходом второго 10 накапливающих усредняющих сумматоров, у которых стробирующие входы объедены в шину "Время измерения" и подключены к первому выходу вычислительного устройства 13, причем первый вход вычислительного устройства 13 присоединен к выходу первого 11 отсчетного блока, а второй вход вычислительного устройства 13 присоединен к выходу второго отсчетного блока. Второй выход вычислительного устройства 13 подключен к свободному входу перемножителя, тогда как выход генератора сигналов 14 одновременно присоединен к входу модулятора 15 и второму входу фазового детектора 4. К выходу модулятора 15 подключен светодиод 16, выход которого объединен с выходом источника физического поля 1.
Контроль основан на анализе взаимодействия физического поля с объектом контроля, например веществом. Источником физического поля 1 может служить светодиод, который через модулятор сигналов подключен к генератору сигналов 14. Электромагнитное излучение светодиода может быть промодулировано по амплитуде, фазе, частоте. Для примера рассмотрим модуляцию физического поля по амплитуде.
Преобразователь физического поля 3 согласован с типом источника излучения, а при использовании светодиода представляет собой фотодиод, включенный в схему фотоприемника [Захаренко В.Α., Колесникова Т.П., Шкаев А.Е. Расчет и проектирование оптико-электронных приборов. Учебное пособие - Омск: изд-во ОмГТУ, 2002. С. 51].
m
i
m
i
Первый 7 и второй 8 функциональные преобразователи представляют собой ПЗУ с записанными отсчетами соответственно функций косинуса и синуса, на их адресные входы подается код, соответствующий произведению Vx, где V - параметр х.ф., x - код с выхода аналого-цифрового преобразователя 5. Тактирование функциональных преобразователей происходит при любом изменении кода на адресных входах. В качестве ПЗУ могут использоваться микросхемы из справочника [Якубовский C.B., Барканов Н.А., Кудряшов Б.П. и др. Аналоговые и цифровые интегральные схемы. - Москва: Советское радио, 1979. С. 315].
Накапливающие усредняющие сумматоры 9 и 10 предназначены для получения отсчетов х.ф. путем суммирования кодов на выходах функциональных преобразователей 7 и 8 соответственно. Сумматоры выполнены на основе микросхем из справочника [Якубовский C.B., Барканов Н.А., Кудряшов Б.П. и др. Аналоговые и цифровые интегральные схемы. - Москва: Советское радио, 1979. С. 233]. Каждый из накапливающих сумматоров 9 и 10 содержит сумматор, регистр памяти, запись в который происходит при действии импульса на входе синхронизации с уровнем лог. «1», поступающей на вход стробирования сумматора, и одновибратор, обеспечивающий сброс содержимого регистра памяти при появлении переднего фронта импульса на вход стробирования.
Отсчетные блоки 11 и 12 обеспечивают цифровую индикацию результатов контроля и содержат буферный регистр для связи с вычислительным устройством 13.
Вычислительное устройство 13 может быть выполнено в виде микроЭВМ, построенной на базе микропроцессорного комплекта К588 и памяти К537 из справочника [Якубовский С.В., Ниссельсон Л.И., Кулешов В.И. Цифровые и аналоговые микросхемы. - Москва: Радио и связь, 1990. - 469 с.].
Устройство контроля веществ работает следующим образом.
m
После включения питания происходит очистка сумматоров, регистров памяти накапливающих усредняющих сумматоров 9, 10 и буферных регистров отсчетных блоков 11, 12. На первом выходе вычислительного устройства появляется импульс длительностью Т - время измерения. На втором выходе вычислительного устройства 13 устанавливается код, соответствующий первому значению параметра V, т.е. единице.
В результате модуляции плоская электромагнитная волна описывается уравнением:
АМ
М - индекс амплитудной модуляции;
m
U - амплитуда плоской волны;
ω - круговая частота волны;
- квазигармоническое колебание генератора сигналов 14.
Здесь правильно. Имеется в виду u(t) - квазигармоническое колебание генератора сигналов 14;
η - начальный угол сдвига фаз, случайно изменяется в пределах -π…+π;
Ω - круговая частота модуляции волны.
В
При взаимодействии электромагнитного поля с веществом оно задерживается в нем на некоторое время τ за счет структурной решетки, а затем поступает в фотоприемник. После преобразования физического поля на выходе фотоприемника 3 появляется сигнал
который поступает на первый вход фазового детектора 4, тогда как на второй вход фазового детектора подается сигнал (4). На выходе избирательной нагрузки фазового детектора 4 имеем
дет
где К - коэффициент передачи фазового детектора;
F (.) - характеристика фазового детектора [Вешкурцев Ю.М. Автокогерентные устройства измерения случайных процессов. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 1995, С. 68-69].
i
m
m
i
Цифровой код x, равный мгновенному значению сигнала (6), поступает на перемножитель 6 и перемножается с кодом, соответствующим значению параметра V, после чего получают код VX, который поступает на адресные входы функциональных преобразователей 7 и 8, где i=1, 2, 3, …, N; N - объем выборки мгновенных значений сигнала (6).
m
i
m
i
m
i
Функциональные преобразователи представляют собой ПЗУ с записанными в них значениями функции косинус (первый функциональный преобразователь 7) и функции синус (второй функциональный преобразователь 8), взятыми в пределах одного периода с шагом Δх. Код Vx взят по модулю М, причем М - это количество записанных в ПЗУ значений функций синус и косинус. Код, соответствующий значению cos(Vx), поступает в накапливающий усредняющий сумматор 9, а код, соответствующий значению sin(Vx), поступает в накапливающий усредняющий сумматор 10.
По завершении N выборок мгновенных значений сигнала в накапливающем усредняющем сумматоре 9 получают оценку действительной части х.ф.
m
при V=1, а в накапливающем усредняющем сумматоре 10 - оценку мнимой части х.ф.
m
при V=1. Задним фронтом импульса «Время измерения» оценки действительной и мнимой частей х.ф. записываются в отсчетные блоки соответственно первый 11 и второй 12.
m
m
После этого на втором выходе вычислительного устройства 13 устанавливается код, соответствующий параметру V=2. На первом выходе вычислительного устройства 13 появляется импульс длительностью Т - время измерения. Работа устройства протекает аналогично вышеописанной. Так повторяется m раз, где V=1, 2, 3, …, m. По завершении работы устройства в первом отсчетном блоке 11 записаны оценки действительной части х.ф.
А(1), А(2), А(3), …, А(m),
а во втором отсчетном блоке 12 записаны оценки мнимой части х.ф.
В(1), В(2), В(3), …, В(m).
Эти значения оценок х.ф. поступают в память вычислительного устройства 13, где хранятся известные оценки А(0), В(0), вытекающие из анализа основных свойств. В частности, известны равенства А(0)=1, В(0)=0 [Вешкурцев Ю.М. Прикладной анализ характеристической функции случайных процессов. - Москва; Радиосвязь, 2003. С. 48].
1
2
3
4
2
3
4
Массив оценок характеристической функции, хранящийся в памяти вычислительного устройства 13, по окончании процесса измерения представляет собой наборы оценок действительной и мнимой частей х.ф., которые в соответствии с блок-схемой алгоритма (фиг. 2) по известным формулам [Вешкурцев Ю.М. Прикладной анализ характеристической функции случайных процессов. - Москва; Радиосвязь, 2003. С. 23, 62] позволяют получить начальные моменты распределения первого m, второго m, третьего m, четвертого m и центральные моменты распределения второго М, третьего М, четвертого М порядков. После этого центральные моменты распределения используют для контроля вещества.
Вычислительное устройство 13 рассчитывает площадь треугольника в соответствии с блок-схемой алгоритма (фиг. 2) по известной формуле [Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. - Москва; Гос. изд. тех. - теор. литературы, 1956. С. 166]. Площадь треугольника количественно определяет соответствие состава вещества стандарту, при этом ее значение определяют границы лингвистических термов: «соответствует», «не соответствует».
Таким образом, введение фазового детектора с избирательной нагрузкой и соответствующих связей позволяют расширить функциональные возможности устройства за счет контроля вещества статистическим методом, использующим задержку физического поля веществом.