УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО РАЗМЕРА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЧАСТИЦЫ
DEVICE FOR MEASUREMENT OF DIELECTRIC PARTICLE GEOMETRICAL SIZE

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами.
Известно фотоэлектрическое устройство для измерения размеров частиц (см. Н.В.Красногорская, Ю.Я.Кириленко, М.М.Рыбин. Исследование параметров частиц осадков в свободной атмосфере. Физика атмосферы и океана, том 111, №12, стр.1292-1304), содержащее источник света, зеркальные линзы, шторки для формирования светового пучка и фотоумножитель. В этом устройстве по амплитуде импульса, возникающего на аноде фотоумножителя при пересечении светового пучка с частицей, определяют размер частицы.
Недостатком этого известного устройства является нестабильность результатов измерения из-за изменения светового потока источника света.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятое автором за прототип устройство для измерения размеров капли воды (см. Патент РФ №2393462). Данное устройство содержит импульсный модулятор, источник излучения, соединенный выходом с передающей рупорной антенной, приемную рупорную антенну, детектор, подключенный выходом к входу усилителя, и индикатор. В этом устройстве величина выходного тока детектора является функцией размера капли воды.
Недостатком этого устройства следует считать погрешность, связанную с несогласованностью площади зондирующего каплю воды импульса с площадью самой капли воды.
Техническим результатом заявляемого решения является повышение точности измерения.
Технический результат достигается тем, что в устройство для измерения геометрического размера диэлектрической частицы введены приемо-передающая рупорная антенна, циркулятор, фильтр нижних частот и микроконтроллер, причем выход источника излучения 1 соединен с первым плечом циркулятора, второе плечо которого подключено к приемо-передающей рупорной антенне, третье плечо циркулятора соединено с входом детектора, выход детектора через фильтр нижних частот соединен с входом усилителя, выход которого подключен к входу микроконтроллера.
Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что при зондировании диэлектрической частицы электромагнитным сигналом фиксированной частоты, отображенным на дисплее микроконтроллера сигналом, измеряют размер контролируемой частицы.
Наличие в заявляемом устройстве совокупности перечисленных существующих признаков позволяет решить поставленную задачу измерения геометрического размера частицы на основе микроконтроллера, осуществляющего преобразование аналогового информационного сигнала в цифровую с желаемым техническим решением, т.е. повышением точности измерения.
На чертеже приведена структурная схема устройства.
Устройство содержит источник излучения 1, соединенный выходом с первым плечом циркулятора 2, приемо-передающую рупорную антенну 3, детектор 4, фильтр нижних частот 5, усилитель 6, соединенный выходом с микроконтроллером 7. Цифрой 8 обозначена диэлектрическая частица.
Устройство работает следующим образом. Выходной электромагнитный непрерывный сигнал фиксированной частоты источника излучения 1 поступает в первое плечо циркулятора 2. Этот сигнал далее с помощью второго плеча циркулятора сначала переносится в приемо-передающую рупорную антенну 3, а затем направляется в сторону контролируемой диэлектрической сферической по форме частицы 8.
В рассматриваемом случае при облучении данной частицы электромагнитным сигналом и при выполнении условия d<<λ где d - диаметр сферической частицы, λ - длина электромагнитной волны, для эффективной площади рассеяния (отражения) частицы можно записать (формула Ми)
<mrow><mi>σ</mi><mo>=</mo><msup><mi>π</mi><mn>5</mn></msup><msub><mi>k</mi><mi>m</mi></msub><msup><mi>d</mi><mn>6</mn></msup><mo>/</mo><msup><mi>λ</mi><mn>4</mn></msup><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где σ - эффективная площадь рассеяния частицы;
<mrow><msub><mi>k</mi><mi>m</mi></msub><mo>=</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><msup><mi>m</mi><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><mn>1</mn><mo>/</mo><msup><mi>m</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mn>2</mn></mrow><mo>|</mo></mrow><mn>2</mn></mrow>
,
где m - показатель преломления электромагнитной волны.
Из представленной выше формулы видно, что путем оценки параметра σ можно определить диаметр (геометрический размер) облучаемой частицы.
Для этого рассеянный от контролируемой частицы сигнал улавливается приемо-передающей рупорной антенной и далее с помощью третьего плеча циркулятора поступает на вход детектора 4 (см. И.В.Лебедев. Техника и приборы СВЧ. М.: Высшая школа, 1970, стр.292-293).
Известно, что при приеме отраженного от объекта контроля сигнала эффективную площадь рассеяния объекта можно выразить как:
<mrow><mi>σ</mi><mo>=</mo><mn>4</mn><mi>π</mi><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup><msub><mi>П</mi><mrow><mi>о</mi><mi>т</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>/</mo><msub><mi>П</mi><mrow><mi>п</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
отр
пад
где r - расстояние от излучателя до объекта, П - плотность потока мощности отраженной от объекта волны, П - плотность потока мощности падающей на объект волны. Принимая последнее выражение применительно к рассматриваемому случаю, можно констатировать, что совместное решение (1) и (2) уравнений даст возможность оценить эффективную площадь рассеяния частицы из следующей формулы:
<mrow><mi>π</mi><mn>4</mn><msub><mi>k</mi><mi>m</mi></msub><msup><mi>d</mi><mn>6</mn></msup><mo>/</mo><msup><mi>λ</mi><mn>4</mn></msup><mo>=</mo><mn>4</mn><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup><msub><mi>П</mi><mrow><mi>о</mi><mi>т</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>/</mo><msub><mi>П</mi><mrow><mi>п</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow>
.
m
пад
Из последней формулы видно, что при известных значениях k, λ, П и неизменном расстоянии между контролируемой частицей и приемо-передающей рупорной антенной (r) путем измерения плотности потока мощности отраженной от частицы волны (сигнала) можно судить о диаметре частицы. В силу этого входной сигнал детектора, соответствующий плотности потока мощности отраженной от частицы волны, сначала детектируется в детекторе и затем для подавления помех поступает на вход фильтра нижних частот 5. Продетектированный сигнал после прохождения фильтра нижних частот поступает на вход усилителя 6. Согласно предлагаемому устройству в качестве последнего здесь используется нормирующий усилитель, который может осуществить одновременно с усилением и масштабирование входного сигнала микроконтроллера 7. В микроконтроллере его входной аналоговый сигнал сначала преобразуется в цифровой, а затем цифровой код, соответствующий входному аналоговому сигналу микроконтроллера. Цифровой код далее с помощью регистра будет храниться до завершения следующего преобразования входного сигнала микроконтроллера. После этого хранимое число (код) передается в процессор микроконтроллера, где осуществляется обработка данных, соответствующих хранимому в регистре микроконтроллера цифровому коду. В результате обработки информации в микроконтроллере на его дисплее (индикаторе) отображается результат измерения геометрического размера (диаметра) контролируемой частицы.
Итак, согласно предлагаемому техническому решению путем микроконтроллерной обработки информационного сигнала о частице можно обеспечить повышение точности измерения размера диэлектрической частицы.