Пристрій радіотеплового контролю якості матеріалів одягу

1. Пристрій радіотеплового контролю якості матеріалів одягу, що містить блок нагріву досліджуваного матеріалу, приймальну антену, два ключі-модулятори, один з яких з'єднаний з приймальною антеною та з генератором низької частоти, балансний змішувач, керуючий вхід якого з'єднаний з гетеродином, а до виходу підключені послідовно з'єднані підсилювач проміжної частоти, квадратичний детектор, вибірковий підсилювач, синхронний детектор, фільтр нижніх частот і вольтметр, та градуйований атенюатор, який відрізняється тим, що в нього додатково введені два феритові вентилі, суматор-трійник і друга приймальна антена, вихід якої через градуйований атенюатор з'єднаний з входом другого ключамодулятора, керуючий вхід якого з'єднаний з інве U 2 (19) 1 3 нюатор, радіометричну систему і вольтметр. Контрольований матеріал заздалегідь нагрівають до температури 310 К і потім вимірюють його ЕМВ за допомогою радіометричної системи, в якій прийнятий сигнал з широким частотним спектром піддається поетапному перетворенню, а саме, підсиленню, детектуванню та фільтрації. Вихідний сигнал постійного струму вимірюється вольтметром. Негативним моментом в роботі пристрою радіотеплового контролю якості матеріалів одягу є охолодження зразка нагрітого матеріалу в процесі вимірювання, велика тривалість якого визначається необхідністю усереднення шумових сигналів. Охолодження зразка обумовлює нестабільність показів радіометричної системи та велику методичну похибку в оцінці рівня ЕМВ через зменшення рівня випромінювання. Відомий пристрій радіотеплового контролю якості матеріалів одягу (Скрипник Ю.О., Ваганов О.А., Супрун Н.П. та Ін. Дослідження електромагнітних властивостей текстильних матеріалів, оброблених натуральними фарбниками // Вісник НТУУ "Київський політехнічний інститут". Серія "Приладобудування", 2009, Випуск 37. - С. 134-140), який містить термошкаф, приймальну антену, атенюатор, радіометричну систему і вольтметр. Завдяки постійності температури нагріву в процесі вимірювань виключається методична похибка від охолодження. Проте одночасно виникає інша похибка від ЕМВ нагрітої пластини, яке проходить через досліджуваний матеріал і збільшує рівень сигналу, що приймається антеною радіометричної системи. Ця похибка істотно спотворює результати радіометричного контролю. Відомий також пристрій радіотеплового контролю якості матеріалів одягу (Патент України №66619А, МПК G01N22/00,2003 р.), що містить блок нагріву досліджуваного матеріалу, приймальну антену, два ключа-модулятора, один з яких з'єднаний з приймальною антеною та з генератором низької частоти, балансний змішувач, керуючий вхід якого з'єднаний з гетеродином, а до виходу підключені послідовно з'єднані підсилювач проміжної частоти, квадратичний детектор, вибірковий підсилювач, синхронний детектор, фільтр нижніх частот і вольтметр, та градуйований атенюатор. Крім того, пристрій радіотеплового контролю якості матеріалів одягу містить металевий екран, який вводиться в зазор між шкірним покривом людини і приймальною антеною. Заміщаючи досліджуваний матеріал металевим екраном, можна виключити безпосередній вплив ЕМВ джерела нагріву (тіла людини) на приймальну антену. Але при подальшому розміщенні досліджуваного матеріалу на шкірному покриві людини разом з радіотепловим випромінюванням матеріалу антеною прийматиметься й власне ЕМВ людини, що завищує рівень радіотеплового випромінювання матеріалу. Для виключення цього завищення з прийнятої антенної потужності ЕМВ віднімають потужність ЕМВ самого джерела нагріву, яку вимірюють радіометричною системою за відсутністю 50507 4 досліджуваного матеріалу. Але при цьому не враховується послаблення потоку ЕМВ від нагрівача безпосередньо досліджуваним матеріалом, що викликає істотну похибку вимірювання. Крім того, різночасність вимірювань малих рівнів ЕМВ нагрітого матеріалу та ЕМВ джерела нагріву є причинами великих випадкових похибок. В основу корисної моделі покладена задача створити такий пристрій радіотеплового контролю якості матеріалів одягу, в якому введенням нових елементів і зв'язків можна було б постійно підтримувати необхідний нагрів досліджуваного матеріалу та повністю виключити вплив ЕМВ нагріваючого елементу на вимірюване ЕМВ нагрітого матеріалу, що підвищить точність та достовірність радіотеплового контролю якості матеріалів для одягу. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрій радіотеплового контролю якості матеріалів одягу, що містить блок нагріву досліджуваного матеріалу, приймальну антену, два ключа-модулятора, один з яких з'єднаний з приймальною антеною та з генератором низької частоти, балансний змішувач, керуючий вхід якого з'єднаний з гетеродином, а до виходу підключені послідовно з'єднані підсилювач проміжної частоти, квадратичний детектор, вибірковий підсилювач, синхронний детектор, фільтр нижніх частот і вольтметр, та градуйований атенюатор, згідно з корисною моделлю, в нього введені два феритові вентилі, суматор-трійник і друга приймальна антена, вихід якої через градуйований атенюатор з'єднаний з входом другого ключа-модулятора, керуючий вхід якого з'єднаний з інверсним виходом генератора низької частоти, прямий і інверсний виходи якого підключені до керуючих входів синхронного детектора, а виходи ключівмодуляторів через феритові вентилі з'єднані з входами суматора-трійника, вихід якого з'єднаний з сигнальним входом балансного змішувача. Доцільно, щоб блок нагріву досліджуваного матеріалу включав регульоване джерело струму, металеву пластину, з'єднану з регульованим джерелом струму, і термоелектричний термометр, термопара якого розташовувалася б між металевою пластиною та досліджуваним матеріалом для контакту з ними. Доцільно, щоб одна приймальна антена була встановлена над досліджуваним матеріалом, друга приймальна антена - над протилежною непокритою стороною металевої пластини, а градуйований атенюатор було встановлено з послабленням, пропорційним товщині досліджуваного матеріалу. Введення в схему пристрою радіотеплового контролю якості матеріалів одягу двох феритових вентилів, суматора-трійника і другої приймальної антени, з'єднаних зазначеним чином, дозволяє безпосередньо порівнювати потужність ЕМВ нагрітого матеріалу з потужністю ЕМВ самого нагрівача. Наявність феритових вентилів в двох приймальних каналах пристрою радіотеплового контролю якості матеріалів одягу виключає вплив одного сигналу, що приймається, на інший та 5 зменшує інтерференційні перешкоди від власних шумів. Суматор-трійник і протифазне керування двома ключами-модуляторами забезпечує почергову дію прийнятих приймальними антенами надвисокочастотних сигналів на гетеродинний блок перетворення частоти, який сигнали мікрохвильового діапазону перетворює в сигнали більш низької проміжної частоти. Подальше квадратичне детектування і виділення вибірковим підсилювачем напруги частоти модуляції, синхронне детектування цієї напруги та фільтрація забезпечують формування постійної напруги, пропорційної різниці потужностей надвисокочастотних сигналів, прийнятих двома приймальними антенами незалежно від рівня власних шумів перетворюючих ланок пристрою. Отриманий різницевий сигнал відображає рівень ЕМВ нагрітого матеріалу незалежно від рівня ЕМВ самого нагрівального елементу, що входить в блок нагріву досліджуваного матеріалу. Виконання блоку нагріву досліджуваного матеріалу у вигляді металевої пластини, що нагрівається електричним струмом, і розташування досліджуваного матеріалу на одній стороні пластини, а термопари термоелектричного термометра на другій стороні пластини дає можливість отримати окремо потоки ЕМВ нагрітого досліджуваного матеріалу разом з ЕМВ металевої пластини і ЕМВ лише нагрітої металевої пластини, що дозволяє їх безперервно порівнювати і здійснювати корекцію результатів вимірювань. Розташування приймальних антен по обидві сторони металевої пластини забезпечує одночасний прийом порівнюваних ЕМВ, які після почергового одкоканального модуляційного перетворення дають постійну напругу, пропорційну лише ЕМВ досліджуваного матеріалу незалежно від рівня ЕМВ самого нагрівача і товщини досліджуваного матеріалу, що підвищує точність і достовірність радіотегоювого контролю якості матеріалів одягу. На фіг. 1 приведена електрична функціональна схема пристрою радіотеплового контролю якості матеріалів одягу, на фіг. 2 гістограма рівнів ЕМВ різних текстильних матеріалів з натуральних, хімічних і змішаних волокон. Пристрій радіотеплового контролю якості матеріалів одягу (фіг. 1) містить приймальні антени 1 і 2; до приймальної антени 1 через ключмодулятор 3 і феритовий вентиль 4 підключений одним входом суматор-трійник 5, а до приймальної антени 2 через градуйований аттенюатор 6, ключ-модулятор 7 і феритовий вентиль 8 підключений суматор-трійник 5 другим входом. Ключі-модулятори 3 і 7 керуються від одного генератора 9 низької частоти, але від протифазних виходів. Сигнальний вхід балансного змішувача 10 з'єднаний з виходом суматора-трійника 5, до керуючого входу балансного змішувача 10 підключений гетеродин 11. До виходу балансного змішувача 10 підключені послідовно з'єднані підсилювач 12 проміжної частоти, квадратичний детектор 13, вибірковий підсилювач 14, синхронний детектор 15, який керується протифазними напругами генератора 9 низької частоти, фільтр 16 50507 6 нижніх частот і вольтметр 17. Блок нагріву досліджуваного матеріалу 18 містить регульоване джерело струму 19, з'єднане з металевою пластиною 20, з однією із сторін якої контактує термопара 21 термоелектричного термометра 22. Позицією 23 позначено досліджуваний матеріал, що контактує з протилежною стороною металевої пластини 20. Пристрій радіотеплового контролю якості матеріалів одягу працює таким чином. Приймальною антеною 1 приймається ЕМВ від досліджуваного матеріалу 23, нагрітого металевою пластиною 20, через яку протікає струм від регульованого джерела струму 19. Струм нагріву встановлюється за показами термоелектричного термометра 22, які повинні відповідати температурі 310К. Приймальною антеною 2 приймається ЕМВ безпосередньо від нагрітої металевої пластини 20. Якщо прийняти за Рo потужність ЕМВ металевої пластини 20, то потужності радіотеплових сигналів, прийнятих приймальними антенами 1 і 2, можна представити у вигляді: P1=S1(Px+Po- Р)+Рn1, (1) P2=S2qPo+Pn2, (2) де S1 і S2 - крутизна перетворення приймальних антен 1 і 2 відповідно, обумовлена їх геометричними розмірами та діаграмою спрямованості; Рx - потужність ЕМВ нагрітого досліджуваного матеріалу 23; Р - втрати потужності ЕМВ металевої пластини 20 в досліджуваному матеріалі 23; q - послаблення, що вноситься градуйованим атенюатором 6, виражене у відносних одиницях; Рn1 i Рn2 - потужності власних шумів приймальних антен 1 і 2. Прийняті приймальними антенами 1 і 2 надвисокочастотні сигнали з потужностями (1) і (2) періодично перериваються ключамимодуляторами З та 7, і через феритові вентилі 4 і 8 потрапляють в суматор-трійник 5. Оскільки ключі-модулятори 3 та 7 керуються протифазними напругами генератора 9 низької частоти, то через суматор-трійник 5 надвисокочастотні сигнали проходять у вигляді пакетів коливань (радіоімпульсів) по черзі і періодично з частотою роботи ключівмодуляторів 3 і 7. Радіоімпульсні сигнали по черзі змішуються в балансному змішувачі 10 з коливаннями гетеродина 11, який генерує монохроматичні надвисокочастотні коливання. В результаті змішування утворюються коливання різницевої частоти, які виділяються та підсилюються підсилювачем 12 проміжної частоти. Радіотеплове випромінювання має, як відомо, широкий спектр. Тому і радіоімпульси, що потрапляють на балансний змішувач 10, є широкосмуговими. Але після змішування з монохроматичними коливаннями гетеродина 11, підсилювачем 12 проміжної частоти виділяються вузькосмугові шумові імпульси в межах смуги пропускання. В результаті квадратичного детектування і усереднення вузькосмугових сигналів на виході квадратичного детектора 13 по черзі утворюються відеоімпульси з амплітудами: U1=S3K1S4(P1+P3), (3) U2=S3K1S4(P2+P3), (4) 7 50507 де S3 - крутизна гетеродинного перетворення частоти радіоімпульсів; K1 - коефіцієнт підсилення підсилювача 12 проміжної частоти за потужністю; S4 - крутизна квадратичного перетворення; Р3 - потужність шумів гетеродинного перетворювача частоти (елементів 5,10,11 і 12). У послідовності відеоімпульсів (3) і (4) з різними амплітудами присутня змінна складова напруги частоти модуляції з амплітудою U1 U2 1 U3 S 3K 1S 4 (P1 P2 ). 2 2 (5) Змінна напруга з амплітудою (5) підсилюється вибірковим підсилювачем 14, налагодженим на низьку частоту модуляції генератора 9 низької частоти. Підсилена напруга випрямляється синхронним детектором 15 і додатково згладжується фільтром 16 нижніх частот. В результаті отримують постійну напругу: 1 U4 S 3K 1S 4K 2 S 5K 3 (P1 P2 ), 2 (6) де K2 - коефіцієнт підсилення вибіркового підсилювача 14; S5 - крутизна перетворення синхронного детектора 15; K3 - коефіцієнт передачі фільтру 16 нижніх частот. Після підстановки у вираз (6) значень (1) і (2) отримуємо U5 1 S 3K 1S 4K 2 S 5K 3 S1(Px 2 Po P) S 2 qPo Pn1 Pn2 . (7) Якщо приймальні антени 1 і 2 мають однакову конструкцію, то можна вважати, що й їх параметри однакові: S1=S2, (8) Рn1=Рn2. (9) Тоді постійна напруга, що вимірюється вольтметром 17, матиме вигляд 1 U6 S1S 3K 1S 4K 2 S 5K 3 (Px Po P qPo ) . 2 ( 10) Градуйованим атенюатором 6 встановлюють послаблення сигналу, прийнятого приймальною антеною 2, пропорційним товщині досліджуваного матеріалу 23 так, щоб виконувалася умова Рo- Р=qPo. (11) При виконанні умови (11) вимірювана напруга 1 U7 S1S 3K 1S 4K 2 S 5K 3Px S oPx , 2 (12) 8 1 S1S 3K 1S 4K 2 S 5K 3 2 де - результуюча крутизна перетворення потужності ЕМВ модуляційною схемою в постійну напругу. З отриманого виразу (12) видно, що вихідна напруга запропонованого пристрою радіотеплового контролю якості матеріалів одягу пропорційна потужності Рx радіотеплового випромінювання досліджуваного матеріалу 23 і не залежить від рівня потужності Рo ЕМВ металевої пластини 20. Крім того, виключено вплив власних шумів приймальних антен 1 і 2 (Pn1 і Рn2) та власних шумів (P3) блоку перетворення частоти надвисокочастотних сигналів (елементів 5, 10, 11 і 12). Низькочастотні шуми квадратичного детектора 13, які незмінне присутні на його виході, пригнічуються за рахунок вибіркових властивостей вибіркового підсилювача 14, детектування в синхронному детекторі 15 і подальшого усереднення фільтром 16 нижніх частот з великою постійною часу (до 5-7 с). Вказані переваги дозволяють з більшою роздільною здатністю оцінювати випромінювальну здатність різних матеріалів для одягу. Як приклад, на фіг. 2 наведені результати експериментальних досліджень рівня ЕМВ деяких текстильних матеріалів. За оцінку рівня ЕМВ матеріалу, нагрітого до середньої температури тіла людини (310 К), узята спектральна щільність потужності J радіо теплового випромінювання на середній частоті міліметрового діапазону довжин хвиль (52 ГГц). Спектральна щільність потужності ЕМВ визначалася потужністю, що була виміряна запропонованим пристроєм, поділеною на смугу пропускання підсилювача 12 проміжної частоти (100 МГц). Остання визначає смугу частот мікрохвильового випромінювання, на яку реагує пристрій з гетеродинним перетворенням частоти радіотеплових сигналів. З гістограми (фіг. 2) видно, що тканини з натуральних волокон (вовна, бавовна та ін.) мають рівень ЕМВ, близький до рівня ЕМВ шкіри людини. Тому ці матеріали найбільш сумісні з організмом людини. Крім того вони не перешкоджають електромагнітному обміну людини з довкіллям, оскільки поглинають та випромінюють електромагнітну енергію так само, як і власна шкіра людини. Навпаки, збільшення у складі матеріалу долі хімічних волокон істотно знижує рівень ЕМВ при тій же температурі та негативно впливає на електромагнітний обмін, що знижує відчуття комфортності одягу з цих матеріалів. So 9 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 50507 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601