Устройство для измерения толщины диэлектрического покрытия

Использование: в области измерительной техники. Технический результат заключается в повышении надежности измерения. Устройство содержит индикатор (1), делитель мощности (2), подключенный вторым плечом к первому плечу циркулятора (3), приемопередающую рупорную антенну (4), микроволновый генератор с варакторной перестройкой частоты (5), амплитудный детектор (6), подключенный выходом ко входу усилителя (7). 1 ил.

 

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

Известно устройство для контроля толщины покрытия эмали на кузове легкового автомобиля (см. И.Чеховский. "Контроль толщины эмали на кузове". Радио, №1, 2004, стр.47), в котором о толщине покрытия эмали судят по изменению емкости двух последовательно включенных конденсаторов, соединенных с измерителем емкости.

Недостатком этого известного устройства является контактность чувствительного элемента с исследуемой поверхностью и погрешность измерения из-за температурных влияний на емкость конденсаторов.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятое автором за прототип фазоизмерительное устройство для измерения толщины диэлектрика (см. В.А.Викторов и др. "Радиоволновые измерения параметров технологических процессов", М.: Энергоатомиздат, 1989, стр.57-58), содержащее высокочастотный генератор, делитель мощности, измерительный и опорный каналы, представляющие собой чувствительный элемент в виде проводников открытой двухпроводной линии, и индикатор. Разность фаз сигналов в измерительном и опорном каналах является функцией толщины диэлектрического материала в данном устройстве.

Недостатком этого устройства следует считать невысокую надежность из-за изменений погонных параметров (индуктивность, емкость, сопротивление потерь) проводников открытой двухпроводной линии.

Задачей заявляемого изобретения является повышение надежности измерения.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для измерения толщины диэлектрического покрытия, содержащем источник электромагнитных колебаний, подключенный выходом к первому плечу делителя мощности, чувствительный элемент и индикатор, введены циркулятор, амплитудный детектор и усилитель, чувствительный элемент выполнен в виде приемопередающей рупорной антенны, источник электромагнитных колебаний представляет собой микроволновой генератор с варакторной перестройкой частоты, при этом второе плечо делителя мощности подключено к первому плечу циркулятора, второе плечо которого соединено с входом-выходом приемопередающей рупорной антенны, третье плечо циркулятора через амплитудный детектор подключено ко входу усилителя, выход которого соединен с варактором микроволнового генератора, третье плечо делителя мощности соединено с индикатором.

Существенными отличительными признаками указанной выше совокупности является наличие циркулятора, амплитудного детектора и усилителя.

В заявляемом техническом решении, благодаря свойствам перечисленных признаков, варакторная перестройка частоты микроволнового генератора усиленным выходным сигналом амплитудного детектора, образованным циркулятором при отражении электромагнитных колебаний от поверхности диэлектрического покрытия на металлической основе, дает возможность решить поставленную задачу: обеспечить высокую надежность измерения толщины диэлектрического покрытия, нанесенного на металлическую основу.

На чертеже приведена функциональная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит индикатор 1, делитель мощности 2, подключенный вторым плечом к первому плечу циркулятора 3, приемопередающую рупорную антенну 4, микроволновый генератор с варакторной перестройкой частоты 5, амплитудный детектор 6, подключенный выходом ко входу усилителя 7. На чертеже цифрой 8 обозначено диэлектрическое покрытие на металлической основе.

Устройство работает следующим образом. Электромагнитные колебания с выхода микроволнового генератора 5 поступают на первое плечо делителя мощности 2. Здесь, благодаря свойствам последнего, колебания распределяются поровну между вторым и третьим плечами делителя мощности. После этого колебания через указанные второе и третье плечи делителя мощности поступают на первое плечо циркулятора 3 и на вход индикатора 1. Колебания, снимаемые со второго плеча циркулятора, передаются на вход-выход приемопередающей рупорной антенны 4, осуществляющей зондирование диэлектрического покрытия 8 и улавливание отраженного от поверхности диэлектрического покрытия сигнала. В рассматриваемом случае электромагнитные колебания после взаимодействия с диэлектрическим покрытием отражаются от его поверхности и с помощью рупорной антенны приходят во второе плечо циркулятора. Здесь, благодаря свойствам развязывания воли в циркуляторах (см. И.В.Лебедев. "Техника и приборы СВЧ", М.: Высшая школа, 1970, стр.293), отраженный сигнал снимается с третьего плеча циркулятора и поступает на вход амплитудного детектора 6.

Как известно (см. В.А.Викторов и др. "Радиоволновые измерения параметров технологических процессов". М.: Энергоатомиздат, 1989, стр.52-53, 48-49), коэффициент отражения от диэлектрического слоя при d_n˜λ - (интерференция), d_n - толщина диэлектрического покрытия, λ - длина зондирующей волны, может быть использован для измерения толщины контролируемого материала. Следовательно, измеряя амплитуду (мощность) в данном случае отраженного сигнала A_отр, связанную с коэффициентом отражения , где А_зон - амплитуда (мощность) зондирующего сигнала, можно обеспечить контроль за толщиной диэлектрического покрытия при известных значениях коэффициента отражения P_отр и А_зон. Поскольку величина А_отр зависит от диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь материала, а также от длины волны, то высокоточный контроль возможен только при неизменности этих параметров.

Данный амплитудный метод, базирующийся на пассивной системе измерения толщины, уступающей активной системе из-за отсутствия цепи обратной связи, не может быть высоконадежным.

Согласно предлагаемому устройству отраженный от поверхности диэлектрического покрытия сигнал после детектирования в амплитудном детекторе поступает на вход усилителя 7. С выхода последнего усиленный сигнал подается на варактор микроволнового генератора 5. Изменение емкости варактора (см. Справочник по радиоэлектронике. Том 1. /Под общей редакцией проф. д.т.н. А.А.Куликовского. М.: Энергия, 1967, стр.400) в зависимости от приложенного к нему напряжения (усиленный после усилителя сигнал) обеспечивает перестройку частоты микроволнового генератора, т.е. устанавливается зависимость частоты электромагнитных колебаний микроволнового генератора от толщины диэлектрического покрытия на металлической основе. Для измерения частоты электромагнитных колебаний, связанной с толщиной диэлектрического покрытия, с третьего плеча делителя мощности колебания поступают на вход индикатора 1, например, частотомера, фиксирующего результат контроля за покрытием в цифровом виде. В результате образующейся обратной связи между приемопередающей рупорной антенной и микроволновым генератором изменение частоты последнего зависит только от изменения толщины покрытия, т.е. создается активная система, благодаря которой процесс преобразования и контроля покрытия оказывается самоподдерживающимся. Предлагаемое техническое решение может быть реализовано, например, на базе микроволнового генератора ГЛПД-2.

Таким образом, в заявляемом техническом решении показано, что варакторная перестройка частоты микроволнового генератора при преобразовании толщины диэлектрического покрытия в отраженный сигнал дает возможность обеспечить более высокую надежность измерения покрытия из-за установления обратной связи между приемопередающей рупорной антенной и микроволновым генератором.

Устройство для измерения толщины диэлектрического покрытия, нанесенного на металлическую основу, содержащее источник электромагнитных колебаний, подключенный выходом к первому плечу делителя мощности, чувствительный элемент и индикатор, отличающееся тем, что в него введены циркулятор, амплитудный детектор и усилитель, чувствительный элемент выполнен в виде приемопередающей рупорной антенны, источник электромагнитных колебаний представляет собой микроволновой генератор с варакторной перестройкой частоты, при этом второе плечо делителя мощности подключено к первому плечу циркулятора, второе плечо которого соединено с входом-выходом приемопередающей рупорной антенны, третье плечо циркулятора через амплитудный детектор подключено ко входу усилителя, выход которого соединен с варактором микроволнового генератора, третье плечо делителя мощности соединено с индикатором.