Пристрій для оцінки комфортності матеріалів для одягу

Пристрій для оцінки комфортності матеріалів для одягу, що містить приймальну антену, ключмодулятор, надвисокочастотний підсилювач, до виходу якого підключений квадратичний детектор, послідовно з'єднані вибірковий підсилювач низької частоти, синхронний детектор, інтегратор і вольтметр, фільтр нижніх частот, генератор низької частоти, з'єднаний виходом з керуючим входом синхронного детектора і керуючим входом ключамодулятора, який відрізняється тим, що в нього додатково введені друга приймальна антена, дру U 1 3 36537 вання фізичних величин. Навчальний посібник - К.: Либідь, 2003. С.316-322]. Відомий пристрій для оцінки комфортності матеріалів [див. Островецкая Ю.И., Супрун Н.П., Скрипник ЮА., Яненко А.Ф. Микроволновая оценка комфортности материалов для одежды // Материалы 12-й международной н.-т. конференции «СВЧтехника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо-2002) - Севастополь: «Вебер», - 2002 С.561-562], що містить джерело НВЧвипромінювання, приймальну антену, регульований атенюатор, радіометричний приймач електромагнітного випромінювання і електронний вольтметр. Як джерело НВЧ-випромінювання використовується біологічний генератор - організм людини, спектральна щільність потужності випромінювання якої надзвичайно мала (10-20-10-21Вт/см 2×Гц). Виявити і виміряти таку малу потужність випромінювання на тлі існуючих електромагнітних завад важко. Оцінити в такому малому випромінюванні зміни його потужності від внесеного текстильного матеріалу, радіопрозорість якого відносно велика, ще складніше. Тому використовують радіовипромінювання самих тканин, нагрітих до температури людського тіла (36-37°С). Проте екрануючі властивості матеріалів за допомогою такого пристрою оцінити важко. Відомий також пристрій для оцінки комфортності матеріалів для одягу [описаний в патенті України №59881А, МПК G01N33/36, 2003, Бюл.№9], що містить приймальну антену, ключмодулятор, надвисокочастотний підсилювач, до виходу якого підключений квадратичний детектор, послідовно з’єднані вибірковий підсилювач низької частоти, синхронний детектор, інтегратор і вольтметр, фільтр нижніх частот, генератор низької частоти, з'єднаний виходом з керуючим входом синхронного детектора і керуючим входом ключамодулятора. Крім того, відомий пристрій містить змінний атенюатор, включений на вході модуляційного радіометра, і індикатор нуля на його виході. Комфортність матеріалу для одягу оцінюється за допомогою змінного атенюатора за результатами двох вимірювань ослаблення НВЧвипромінювання, яке приймається антеною, за наявності і відсутності досліджуваного матеріалу в зазорі між випромінюючою поверхнею (шкірою людини) і антеною. Різночасовість двох вимірювань ослаблень матеріалів, близьких за значенням, таких як тканини, шкіри, хутро і т.п., дає невеликий приріст ослаблення в порівнянні з повітрям, викликає велику похибку у визначенні їх відношення за показаннями атенюатора. Тому оцінка комфортності матеріалів для одягу по відношенню ослаблень електромагнітного випромінювання матеріалом і повітрям є недостатньо надійною і достовірною. В той же час одночасно порівняти радіопрозорості матеріалу і повітря відомим пристроєм і оцінити їх відносну різницю не є можливим. В основу корисної моделі покладена задача створити такий пристрій для оцінки комфортності матеріалів для одягу, в якому шляхом введення 4 нових елементів і зв'язків можна було б безпосередньо оцінювати відносну різницю радіопрозоростей досліджуваного матеріалу і повітряного прошарку, які одночасно знаходяться в електромагнітному полі людини, на тлі електромагнітних завад і шумів вимірювального пристрою, що підвищує достовірність оцінки комфортності матеріалів для одягу. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрій для оцінки комфортності матеріалів для одягу, що містить приймальну антену, ключмодулятор, надвисокочастотний підсилювач, до виходу якого підключений квадратичний детектор, послідовно з'єднані вибірковий підсилювач низької частоти, синхронний детектор, інтегратор і вольтметр, фільтр нижніх частот, генератор низької частоти, з'єднаний виходом з керуючим входом синхронного детектора і керуючим входом ключамодулятора, згідно з корисною моделлю, в нього введені друга приймальна антена, другий ключмодулятор, суматор-трійник, керований підсилювач відеоімпульсів, блок автоматичного регулювання підсилення, диференціальний підсилювач і джерело опорної регульованої напруги, з'єднане з одним входом диференціального підсилювача, інший вхід якого з'єднаний через фільтр нижніх частот з виходом керованого підсилювача відеоімпульсів, керуючий вхід якого з'єднаний через блок автоматичного регулювання підсилення з виходом диференціального підсилювача, вхід керованого підсилювача відеоімпульсів з'єднаний через квадратичний детектор і надвисокочастотний підсилювач з виходом суматора-трійника, входи якого з'єднані з приймальними антенами через перший і другий ключі-модулятори, керуючий вхід останнього підключений до протифазного виходу генератора низької частоти, з'єднаного з інверсним керуючим входом синхронного детектора, а вхід вибіркового підсилювача низької частоти з'єднаний з виходом керованого підсилювача відеоімпульсів. Введення в схему пристрою для оцінки комфортності матеріалів для одягу другої приймальної антени, другого ключа-модулятора, суматоратрійника, керованого підсилювача відеоімпульсів, блоку автоматичного регулювання підсилення, диференціального підсилювача і джерела опорної регульованої напруги, з'єднаних вказаним чином, забезпечує роздільний і одночасний прийом електромагнітних випромінювань людини, які пройшли одночасно через досліджуваний матеріал і повітряний прошарок, формування радіоімпульсів з прийнятих випромінювань, які по черзі підсилюються одним надвисокочастотним підсилювачем і детектуються квадратичним детектором. В результаті квадратичного детектування послідовності радіоімпульсів утворюються відеоімпульси, які по черзі підсилюються одним керованим підсилювачем відеоімпульсів з автоматично регульованим коефіцієнтом підсилення, значення якого встановлюється напругою диференціального підсилювача, на входи якого поступає постійна складова напруги підсилених відеоімпульсів і опорна напруга від джерела опорної регульованої напруги. Змінна складова підсилених відеоімпульсів вибірково під 5 36537 силюється, синхронно детектується, усереднюється інтегратором і вимірюється вольтметром, показання якого пропорційні відносній різниці радіопрозоростей досліджуваного матеріалу і прошарку повітря, що підвищує достовірність оцінки комфортності матеріалів. На кресленні представлена електрична функціональна схема пристрою для оцінки комфортності матеріалів для одягу. Пристрій містить приймальні антени 1 і 2, виходи яких через ключі-модулятори 3 і 4 з'єднані із входами суматора-трійника 5. До виходу суматора-трійника 5 підключені послідовно з'єднані надвисокочастотний (НВЧ) підсилювач 6, квадратичний детектор 7 і регульований підсилювач відеоімпульсів 8, вихід якого через фільтр 9 нижніх частот з'єднаний з одним входом диференціального підсилювача 10, до іншого входу якого підключено джерело 11 опорної регульованої напруги. Вихід диференціального підсилювача 10 через блок 12 автоматичного регулювання підсилення (АРП) з'єднаний з керуючим входом регульованого підсилювача відеоімпульсів 8, до виходу якого також підключені послідовно з'єднані вибірковий підсилювач 13 низької частоти, син хронний детектор 14, інтегратор 15 і вольтметр 16. Генератор 17 низької частоти своїми парафазними виходами з'єднаний з керуючими входами ключівмодуляторів 3 і 4, а також з прямим і інверсним входами синхронного детектора 14. Позицією 18 позначений досліджуваний матеріал, що знаходиться на шкірному покриві 19 людини - джерела електромагнітного поля. Пристрій для оцінки комфортності матеріалів для одягу працює таким чином. Приймальні антени 1 і 2 розташовують на поверхні досліджуваного матеріалу 18. При цьому в досліджуваному матеріалі 18 під приймальною частиною приймальної антени 1 видаляється матеріал, який тим самим заміщається повітряним прошарком. Електромагнітне випромінювання людини приймається приймальною антеною 1 безпосередньо, а приймальною антеною 2 приймається ослаблене через часткове відбиття від поверхні досліджуваного матеріалу 18 і електричних втрат в самому досліджуваному матеріалі 18. Тому надвисокочастотні (НВЧ) сигнали на виходах приймальних антен 1 і 2 будуть різними. 6 Оскільки електромагнітне випромінювання людини слабке, то прийняті НВЧ-сигнали будуть сумірні із НВЧ-шумами самих приймальних антен 1 і 2. Якщо прийняти за P0 потужність НВЧвипромінювання людини з підантенної площі, то потужності НВЧ-сигналів приймальних антен 1 і 2 можна представити у вигляді: P1=q0P0+P n1, (1) P2=qхP 0+Pn2, (2) де q0 і qx - коефіцієнти радіопрозорості повітря і досліджуваного матеріалу 18 відповідно; Рn1 і Рn2 - потужності НВЧ-шумів приймальних антен 1 і 2. Сигнали (1) і (2) приймальних антен 1 і 2 періодично перериваються ключами-модуляторами 3 і 4, які керуються протифазною напругою генератора 17 низької частоти. В результаті утворюються радіоімпульсні НВЧ-сигнали, що неперекриваються, які через суматор-трійник 5 по черзі поступають на вхід НВЧ-підсилювача 6. Підсилені радіоімпульси впливають на квадратичний детектор 7, де перетворюються в послідовність відеоімпульсів з амплітудами: U1=SK1(P1+P n3), (3) U2=SK1(P2+P n3), (4) де S - крутизна перетворення квадратичного детектора 7; K1 - коефіцієнт підсилення НВЧ-підсилювача 6 по потужності; Pn3 - потужність власних шумів НВЧпідсилювача 6. Відеоімпульси (3) і (4) підсилюються регульованим підсилювачем відеоімпульсів 8 до значень напруг: U3=SK1K2(P 1+Pn3)+DU, (5) U4=SK1K2(P 2+Pn3)+DU, (6) де К2 - коефіцієнт підсилення регульованого підсилювача відеоімпульсів 8; DU - напруга низькочастотних шумів квадратичного детектора 7. З послідовності підсилених відеоімпульсів (5) і (6) фільтром 9 нижніх частот виділяється постійна складова напруги U + U4 U5 = K 3 × 3 = SK1K 2 K 3 × [0,5 × (P1 + P2 ) + Pn 3 ] ,(7) 2 де К3 - коефіцієнт передачі фільтру 9 нижніх частот. На ви ході ди ференціального підсилювача 10 формується різницева напруга é ù æ P + P2 ö U6 = K 4 × (U5 - U0 ) = K 4 × êSK 1K 2K 3 × ç 1 ç + Pn3 ÷ - U0 ú , (8) ÷ 2 è ø ë û де K4 - коефіцієнт підсилення диференціального підсилювача 10; U0 - напруга джерела опорної регульованої напруги 11. Напруга U0 джерела опорної регульованої напруги 11 встановлюється такою, щоб при спрямуванні приймальних антен 1 і 2 на повітря навколишнього середовища різницева напруга (8) прямувала до нуля. Враховуючи, що при цьому випромінювання людини приймальними антенами 1 і 2 не приймається (P0=0), встановлена опорна напруга æ P + Pn 2 ö U 0 = SK 1K 2 K 3K 4 × ç n1 + Pn3 ÷ . (9) ç ÷ 2 è ø При прийомі електромагнітного випромінювання від тіла людини приймальними антенами 1 і 2 різницева напруга (8) зростає з урахуванням (9), (1) і (2) до значення U0=0,5×SK1K2K3K 4×(q0+qx)×P 0. (10) Надходження різницевої напруги (10) на вхід блоку АРП 12 викликає зміну коефіцієнта підсилення регульованого підсилювача відеоімпульсів 8. В результаті автоматичного регулювання підси 7 36537 лення блоком АРП 12 коефіцієнт підсилення К^ регульованого підсилювача відеоімпульсів 8 встановлюється обернено пропорційним керованій напрузі (10): 2 × U7 , (11) K2 = SK1K 3K 4 × (q0 + qx ) × P0 Вибірковим підсилювачем 13 низької частоти з послідовності підсилених відеоімпульсів (5) і (6) виділяється змінна складова напруги частоти модуляції з амплітудою: U - U4 P - P2 , (12) U8 = K 5 × 3 = SK1K 2K 5 × 1 2 2 де К5 - коефіцієнт підсилення вибіркового підсилювача 13 низької частоти. Підсилена змінна напруга низької частоти модуляції випрямляється синхронним детектором 14, який керується безпосередньо протифазними напругами генератора 17 низької частоти. Випрямлена напруга усереднюється інтегратором 15 і вимірюється вольтметром 16. Завдяки вибірковому підсиленню на частоті модуляції, синхронному детектуванню і усередненню інтегратором 15 пригнічується вплив низькочастотних шумів ΔU(t) у вихідних напругах (5) і (6) квадратичного детектора 7, і вимірювана напруга з урахуванням вказаної фільтрації приймає значення P - P2 , (13) U9 = SK1K 2K 5 K 6 K 7 × 1 2 де K6 - коефіцієнт випрямлення синхронного детектора 14; К7 - коефіцієнт передачі інтегратора 15. Підставляючи у вираз (13) значення коефіцієнта підсилення K2 з (11), отримуємо K 5K 6K 7 ×(P1 - P2 ) U10 = × U7 . (14) K 3K 4 × (q0 + q x ) × P0 Якщо використовувати приймальні антени 1 і 2 однієї конструкції і з однаковими розмірами, то їх власні шуми будуть також однаковими: Рn1=Рn2=Рn . (15) З ура хуванням співвідношення (15) вимірювана напруга K K K ×(q - qx ) U10 = 5 6 7 0 × U7 . (16) K 3K 4 × (q0 + qx ) 8 При порівнянні коефіцієнтів радіопрозорості різних матеріалів з коефіцієнтом радіопрозорості повітря слід врахувати, що їх різниця невелика, хоча це відмінність для людини фізіологічне значуща. Тому можна вважати, що навіть за наявності невеликої різниці коефіцієнтів їх сума q0 + q x @ 2 × q0 . (17) Тоді з урахуванням співвідношення (17) вираз (16) представимо в остаточному вигляді: K K K × (q 0 - q x ) U10 = 5 6 7 × U7 . (18) 2K 3K 4 q0 Як видно з виразу (18), покази вольтметра 16 пропорційні відносній різниці коефіцієнтів радіопрозорості досліджуваних матеріалів в порівнянні з повітряним прошарком тієї ж товщини. При цьому показання вольтметра 16 не залежать від нестабільності параметрів НВЧ-підсилювача 6 і квадратичного детектора 7 (K1 і S), а також рівня власних шумів цих елементів (Рn3) і приймальних антен 1 і 2 (Рn1 і Рn2). Вказані переваги підвищують достовірність оцінки комфортності різних матеріалів по ступеню електромагнітної сумісності одягненої людини з навколишнім середовищем. Використання запропонованого пристрою для оцінки комфортності матеріалів для одягу по відносній різниці коефіцієнтів радіопрозорості матеріалу і повітряного прошарку дозволяє: - оцінювати радіопрозорість різних матеріалів щодо повітря в слабких електромагнітних полях біологічного походження, зокрема, в полі людини; - вимірювати малі відхилення в значеннях коефіцієнтів радіопрозорості матеріалів (одиниці і долі відсотків) на тлі власних шумів і електромагнітних завад, сумірних з інформативними сигналами, що приймаються антенами; - за рахунок відносної форми представлення результатів оцінки комфортності усувати вплив нестабільності надвисокочастотних елементів вимірювальної схеми і тим самим підвищувати достовірність вимірювань; - здійснювати оптимальний підбір пакетів з різних матеріалів при проектуванні і виготовленні комфортного одягу для спеціальних цілей і повсякденних потреб. 9 Комп’ютерна в ерстка А. Рябко 36537 Підписне 10 Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601