Резонансний пристрій для визначення властивостей текстильних матеріалів

1. Резонансний пристрій для визначення властивостей текстильних матеріалів, що містить послідовно з'єднані генератор пилкоподібних імпульсів, генератор надвисокої частоти та першу двоканальну вимірювальну схему, яка включає в кожному каналі послідовно з'єднані вимірювальний і опорний резонатори, перший і другий НВЧдетектори, перший і другий імпульсні екстрематори, підключені своїми першими входами перший і другий тригери, другі входи яких з'єднані з імпульсним виходом генератора пилкоподібних імпульсів, і другою двоканальною вимірювальною схемою, яка включає в кожному каналі послідовно з'єднані перший і другий пікові детектори, перший і другий компаратори, з'єднані першими входами з виходами відповідних пікових детекторів, а другими входами - з виходами відповідних НВЧдетекторів, та вихідний реєструючий пристрій, який відрізняється тим, що додатково включені перший і другий імпульсні селектори, перший і другий інтегратори, перший і другий помножувальні аналого-цифрові перетворювачі і мікропроцесорний контролер, при цьому вихід першого компаратора з'єднаний з першим входом першого імпульсного селектора, вихід др угого компаратора з'єднаний з першим входом другого імпульсного селектора, другі входи яких з'єднані з виходом U 2 UA 1 3 37282 4 генератор пилкоподібних імпульсів, двоканальну - з виходом другого формувача імпульсів, вхід яковимірювальну схему, вихідний вимірювальний го з'єднаний із входом першого формувача. Вихід блок і реєструючий пристрій, в якому між детекторозподільника з'єднаний з керуючим входом багарами й підсилювачами включені імпульсні дифеторозрядного елемента і через одновібратор із ренціатори, а між підсилювачами й вихідним вимівходом обнуління реверсивного лічильника. Підрювальним блоком підключені тригери, при цьому силювачі-формувачі містять послідовно з'єднані до виходу генератора пилкоподібної напруги приперший диференціатор, компаратор і другий диєднаний диференціатор пилкоподібних імпульсів, ференціатор. Напруга на виході першого диферевихід якого з'єднані із другими входами тригерів. нціатора має нульове значення в моменти максиОдержання імпульсів вимірювального і опорного муму й мінімуму вхідного сигналу. На виході резонаторів досягається зміною частоти генератокомпаратора формується прямокутний імпульс, ра НВЧ за допомогою генератора пилкоподібні фронт і спад якого відповідають екстремальним напруги. Отримані на детекторах резонансні імпуточкам продиференційованого сигналу. Др угий льси надходять на імпульсні диференціатори. Кодиференціатор формує короткі імпульси. рисна частина продиференційованого сигналу Пристрій для вимірювання різниці резонансних підсилюється підсилювачами і надходить для зачастот резонаторів не дозволяє безпосередньо пуску тригерів. Стійкий початковий стан обох триоцінити властивості текстильних матеріалів, а сагерів визначається початком розгортки (зміни часме ступінь розпрямленості волокон, через відсуттоти), фіксація якого здійснюється сигналом з ність фізико-математичної моделі, що описує зв'ядиференціатора пилкоподібних імпульсів. Виділені зок між величиною різниці резонансних частот тригерами прямокутні напруги надходять на додарезонаторів і ступінню розпрямленості волокон в ткові підсилювачі, балансову схему і далі автомаматеріалі. тично реєструються індикатором. Феритові вентилі Відомий також резонансний пристрій для випризначені для розв'язки резонаторів і генератора значення властивостей текстильних матеріалів, надвисокої частоти один від іншого. Прилад для описаний в [А.С. СРСР №573775, МПК G 01 N вимірювання діелектричної проникності речовини 27/26, 1977], що містить послідовно з'єднані генене дозволяє безпосередньо оцінити властивості ратор пилкоподібних імпульсів, генератор надвитекстильних матеріалів, а саме ступінь розпрямсокої частоти та першу двоканальну вимірювальну леності волокон, через відсутність фізикосхему, яка включає в кожному каналі послідовно математичної моделі, що описує зв'язок між велиз'єднані вимірювальний і опорний резонатори, печиною діелектричної проникності і ступінню розрший і другий НВЧ детектори, перший і другий прямленості волокон. імпульсні екстрематори, підключені своїми перВідомий пристрій для вимірювання різниці чашими входами перший і другий тригери, другі вхостот дво х НВЧ резонаторів [А.С. СРСР №1580291, ди яких з'єднані з імпульсним виходом генератора G01 R 27/26, Бюл. №27 від 23.07.90] відноситься пилкоподібних імпульсів, і другою двоканальною до пристроїв з вимірювання зміни резонансної вимірювальною схемою, яка включає в кожному частоти НВЧ резонатора і може бути використаний каналі послідовно з'єднані перший і другий пікові для виміру діелектричної проникності. Цей придетектори, перший і другий компаратори, з'єднані стрій для виміру різниці резонансних частот двох першими входами з виходами відповідних пікових НВЧ резонаторів містить послідовно з'єднані генедетекторів, а другими входами - з виходами відпоратор імпульсів, що зб уджує генератор пилкоподівідних НВЧ детекторів, та ви хідний реєструючий бні напруги, НВЧ - генератор, до виходу якого чепристрій. Відомий пристрій дозволяє вимірювати рез подільник потужності підключені послідовно діелектричні параметри тонколистових матеріалів, з'єднані вимірювальний НВЧ -резонатор, перші на надвисоких частота х та відноситься до приНВЧ - детектор, диференціатор, підсилювачстроїв з виміру фізичних величин за величиною формувач і автоматичний перемикач, а також позміни резонансної частоти НВЧ резонатора і може слідовно з'єднані опорний НВЧ -резонатор, другі бути використаний для виміру діелектричної проНВЧ - детектор, диференціатор, підсилювачникності та тангенсу кута діелектричних втрат, але формувач і перемикач. Перші виходи перемикачів не дозволяє безпосередньо оцінювати такі власз'єднані між собою з першим входом тригера, а тивості текстильних матеріалів, як ступінь розпрядругі ви ходи перемикачів з'єднані між собою і чемленості волокон, через відсутність фізикорез інвертор із другим входом тригера. До виходу математичної моделі, що описує зв'язок між діелетригера підключений послідовно з'єднані елемент ктричними параметрами і ступінню розпрямленості співпадання, третій перемикач, реверсивний лічиволокон. льник імпульсів, багаторозрядний елемент співпаВ основу корисної моделі покладено задачу дань та цифровий індикатор. При цьому перший створення такого пристрою визначення діелектривхід елемента з'єднаний з виходом тригера, дручних параметрів матеріалів, в якому введенням гий вхід - з ви ходом генератора, перший і другий нових елементів схеми і зміною функціональної виходи третього перемикача з'єднані відповідно з зв'язків між ними в електричній схемі, забезпечусумуючим і віднімаючим входами реверсивного валось би визначення властивостей текстильних лічильника. Вхід розподільника частоти з'єднаний матеріалів. з виходом третього диференціатора, вхід якого Поставлена задача вирішується тим, що в рез'єднаний з виходом генератора. Прямий вихід зонансному пристрої для визначення властивослічильного тригера з'єднаний з керуючим входом тей текстильних матеріалів, що містить послідовно першого перемикача, інверсний вихід - з керуючиз'єднані генератор пилкоподібних імпульсів, генеми входами другого й третього перемикачів, а вхід ратор надвисокої частоти та першу двоканальну 5 37282 6 вимірювальну схему, яка включає в кожному канагого компаратора з'єднаний з першим входом друлі послідовно з'єднані вимірювальний і опорний гого імпульсного селектора, другі входи яких з'єдрезонатори, перший і другий НВЧ детектори, пернані з виходом тактових імпульсів ший і другий імпульсні екстрематори, підключені мікропроцесорного контролера, а виходи імпульссвоїми першими входами перший і другий тригери, них селекторів з'єднані з відповідними цифровими другі входи яких з'єднані з імпульсним виходом входами першого і другого перемножувальних генератора пилкоподібних імпульсів, і другою двоаналого-цифрових перетворювачів, вихід першого канальною вимірювальною схемою, яка включає в тригера підключений до входу першого інтегратокожному каналі послідовно з'єднані перший і друра, вихід другого тригера підключений до входу гий пікові детектори, перший і другий компаратори, другого інтегратора, а виходи інтеграторів з'єднані з'єднані першими входами з виходами відповідних з входами опорної напруги відповідних перемнопікових детекторів, а другими входами - з виходажувальних аналого-цифрових перетворювачів, ми відповідних НВЧ детекторів, та ви хідний реєствиходи яких підключені до першого і другого вхоруючий пристрій, згідно з корисною моделлю, додів цифрових даних мікропроцесорного контроледатково включені перший і другий імпульсні ра, до виходу котрого підключений вихідний реселектори, перший і другий інтегратори, перший і єструючий пристрій, а вихід синхронізуючого другий перемножувальні аналого-цифрові переімпульсу мікропроцесорного контролера з'єднаний творювачі і мікропроцесорний контролер, при цьоз входом синхронізації генератора пилкоподібних му ви хід першого компаратора з'єднаний з першим імпульсів дозволяє визначати ступінь паралелізавходом першого імпульсного селектора, вихід друції та розпрямленості волокон двома резонаторагого компаратора з'єднаний з першим входом друми з різною чутливістю, яку попередньо визначагого імпульсного селектора, другі входи яких з'єдють до встановлення між ними зразка нані з виходом тактових імпульсів текстильного матеріалу, визначають чутливість мікропроцесорного контролера, а виходи імпульсрезонаторів під час контакту із зразком текстильних селекторів з'єднані з відповідними цифровими ного матеріалу та визначають зміни чутливості входами першого і другого перемножувальних кожного з резонаторів, що забезпечує розширення аналого-цифрових перетворювачів, вихід першого функціональних можливостей пристрою. тригера підключений до входу першого інтегратоДодаткове включення третього тригера, трера, вихід другого тригера підключений до входу тього імпульсного селектора, третього і четвертого другого інтегратора, а виходи інтеграторів з'єднані перемножувальних аналого-цифрових перетворюз входами опорної напруги відповідних перемновачів також забезпечує розширення функціональжувальних аналого-цифрових перетворювачів, них можливостей пристрою. виходи яких підключені до першого і другого вхоНа Фіг.1. представлена схема заявленого придів цифрових даних мікропроцесорного контролестрою, на Фіг.2 - епюри напруг (U4 та U9) ра, до виходу котрого підключений вихідний реРезонансний пристрій містить послідовно з'єдєструючий пристрій, а вихід синхронізуючого нані генератор надвисокої частоти 1 і генератор імпульсу мікропроцесорного контролера з'єднаний пилкоподібних імпульсів 2, першу та др угу двоказ входом синхронізації генератора пилкоподібних нальні вимірювальні схеми, які включають вимірюімпульсів. вальний резонатор 3, НВЧ детектор 4, піковий деКрім того додатково включені третій тригер, тектор 5, компаратор 6, імпульсний селектор 7, третій імпульсний селектор, третій і четвертий опорний резонатор 8, НВЧ детектор 9, піковий деперемножувальні аналого-цифрові перетворювачі, тектор 10, компаратор 11, імпульсний селектор 12, при цьому перший вхід третього тригера підклюперший 13 і другий 14 імпульсні екстрематори, чений до виходу першого компаратора, а другий тригер 15, імпульсний екстрематор 16, тригери 17 вхід підключений до виходу др угого компаратора, та 18, перемножувальні аналого-цифровий перевихід третього тригера з'єднаний з першим входом творювач (АЦП) 19, інтегратор 20, перемножуватретього імпульсного селектора, другий вхід якого льний аналого-цифровий перетворювач 21, аналоз'єднаний з виходом тактових імпульсів мікропрого-цифровий перетворювач 22, інтегратор 23, цесорного контролера, а вихід з'єднаний з відповіперемножувальний аналого-цифровий перетводними цифровими входами третього і четвертого рювачі 24 та мікропроцесорний контролер 25 до перемножувальних аналого-цифрових перетворювиходу котрого підключений вихідний реєструючий вачів, входи опорної напруги відповідних перепристрій 26. множувальних аналого-цифрових перетворювачів Пристрій працює таким чином. Часова посліпідключені до виходів відповідно першого та друдовність виконання вимірювальних операцій вигого інтеграторів, виходи третього і четвертого значається програмою, що закладена в пам'ять перемножувальних аналого-цифрових перетворюмікропроцесора 25, який імпульсом синхронізації вачів підключені до третього і четвертого входів запускає генератор пилкоподібних імпульсів 2, цифрових даних мікропроцесорного контролера, який за допомогою згенерованої пилкоподібної до виходу котрого підключений вихідний реєструнапруги U(t ) змінює за лінійним законом з періючий пристрій. одом T частоту генератора надвисокої частоти в Введення першого і другого імпульсних селекдіапазоні від F до F2 , що є більший за можливі 1 торів, першого і другого інтеграторів, першого і межі перестроювання вимірювального резонатора другого перемножувальних аналого-цифрових перетворювачів і мікропроцесорного контролера, t U = k1 × t = S0 × ; 0 £ t £ T;F2 = F + S1 ×U = F + k1 × S1 × t . (1) 1 1 де вихід першого компаратора з'єднаний з першим T входом першого імпульсного селектора, вихід дру 7 37282 де S0 - крутість зміни пилкоподібної напруги; S1 - крутість модуляційної характеристики. Попереднім налагоджуванням при відсутності контрольованого матеріалу встановлюють однаковими резонансні частоти опорного F00 та вимірювального FB0 резонаторів. Розглянемо роботу пристрою в режимі визначення степені розпрямленості та паралелізації волокон за величиною зміни добротності НВЧ вимірювального резонатора, коли відкритий вихід вимірювального резонатора контактує із досліджуваним волокнистим матеріалом. Надвисокочастотні електромагнітні коливання із змінною частотою, що подаються на вимірювальний 3 і опорний 8 резонатори одночасно, збуджують в них резонансні коливання. На вихідних клемах НВЧ детекторів 4 та 9 будуть сформовані резонансні імпульси (див. епюри напруг U4 та U9 на. Фіг.2.). Вимірювальний резонатор, що контактує із досліджуваним волокнистим матеріалом, резонує на частоті FB , більш низькій ніж опорний резонує на частоті F00 , що відповідає моментам часу tB і t0 відповідно. На малюнку пунктирною лінією показано часове положення вимірювального резонансного імпульсу без контакту із досліджуваним волокнистим матеріалом. У відповідності до (1) F -F F -F F00 = F1 + k1 × S1 × t 0; FB = F1 + k1 × S1 × tB; t 0 = 00 1 ; t B = B 1 . (2) k1 × S1 k1 × S1 На вихідних клемах пікових детекторів 5 та 10 буде присутня постійна напруга, величина якої дорівнюватиме амплітуді вхідної імпульсної напруги, тобто U4 та U9 відповідно. Через резистивні подільники з коефіцієнтом передачі 0,5 вихідні напруги пікових детекторів 5 та 10 поступають на перші входи компараторів 6 та 11, а на їх другі входи поступають резонансні імпульси з вихідних клем НВЧ детекторів 4 та 9. На виходах компараторів будуть сформовані прямокутні імпульси, часова тривалість яких t 0 та tB відповідатиме ширині смуги пропускання опорного D F0 і вимірювального D FB резонаторів на рівні U4 /2 та U9 /2 відповідно. Після нескладних перетворень з урахуванням (1) отримаємо DF0 D FB t0 = × T; tB = ×T . (3) S0 × S1 S0 × S1 Ці прямокутні імпульси поступають на перші входи імпульсних селекторів, на другі входи яких поступають тактові імпульси з відповідного виходу мікропроцесорного контролера 25. Період повтору тактових імпульсів TT набагато менший періоду повторення пилкоподібної напруги T , тому на виходах імпульсних селекторів будуть присутні послідовності тактових імпульсів N, причому кількість імпульсів у послідовності буде пропорційна тривалості імпульсів t 0 та tB N0 = t0 T ; NB = tB T . T T (4) 8 З урахуванням (3) і (4), отримаємо DF0 = S0 × S1 × N0; DFB = S0 × S1 × NB . (5) На вихідних клемах першого 13 і другого 14 імпульсних екстрематорів в моменти резонансу tB і t0 вимірювального 3 і опорного 8 резонаторів будуть сформовані короткі прямокутні імпульси tp , тривалість яких значно менше тривалості імпульсів t 0 та tB ( tp á át0 , tp á átB ). Ці імпульси в моменти резонансу вимірювального і опорного резонаторів, поступаючи на перші входи тригерів 17 та 18, повертатимуть їх до вихідного стану, з якого вони були одночасно виведені імпульсом зворотного ходу з імпульсного виходу генератора пилкоподібних імпульсів 2. Тому на виходах тригерів 17 та 18 будуть сформовані прямокутні імпульси, тривалість яких визначатиметься інтервалом часу від моменту початку зміни пилкоподібної напруги U(t ) і, відповідно, частоти генератора НВЧ коливань (t = t 00 = 0) до моменту резонансу вимірювального t = t B і опорного t = t0 резонаторів. Оскільки при t = t0 F = F1 , то з урахуванням (1) та (2), отримаємо T T tB - t 00 = FB × ; t 0 - t 00 = F00 × . (6) S0 × S1 S0 × S1 Прямокутні імпульси з виходів тригерів 17 та 18, тривалість яких пропорційна величинам відповідних резонансних частот FB та F00 , поступають на входи інтеграторів 20 і 23, вихідні напруги котрих будуть прямопропорційні тривалості вхідних імпульсів T × S20 T × S23 UB = FB × ; U0 = F00 × . (7) S0 × S1 S0 × S1 де S20, S23 - крутість перетворення інтегратора 20 і інтегратора 23 відповідно. Можна вважати S20 @ S23 . Ці вихідні напруги інтеграторів виконують функцію опорних напруг для перемножувальних аналого-цифрових перетворювачів (АЦП) 19 і 22. На входи даних перемножувальних аналогоцифрових перетворювачів 19 і 22 поступають імпульсні послідовності (4) з виходів імпульсних селекторів 7 та 12, тому на виходах АЦП отримаємо з урахуванням (5) і (7) відповідні цифрові кодові сигнали KB і K0 N F × UB × S19 = B × N × S19 × S20 ; K 0 = NB DFB N F = × U0 × S22 = 00 × S 22 × S23 N0 DF0 KB = (8) де S19, S22 - крутість перетворення аналогоцифрових перетворювачів 19 і 22 відповідно. Можна вважати S19 @ S22 . N - розрядність аналого-цифрових перетворювачів. Таким чином, цифрові кодові сигнали KB і K0 прямопропорційні величинам добротностей вимірювального QB= FB / DFB і опорного резонаторів 9 37282 10 На виході тригера буде сформований прямокутний Q0 = F00 / D F0 , з точністю до постійного множника імпульс, тривалість якого буде пропорційна велиD = SIHT · SАЦП (S20 @ S23 = SIHT ; S19 @ S22 = S АЦП ) . чині частотної розстройки між опорним і вимірюЯкщо в початковій фазі вимірювання, коли відвальним резонаторами For FB , і він поступатиме критий вихід вимірювального резонатора не контана один з входів імпульсного селектора 16, на друктуватиме із досліджуваним волокнистим матеріагий вхід якого поступають тактові імпульси з виходу тактових імпульсів мікропроцесорного контролом, виміряти величину KB і занести її в пам'ять лера 25. Відповідно на виході імпульсного мікропроцесорного контролера як КВ0 , то після селектора 12 буде сформована імпульсна послівиконання вимірювань із досліджуваним волокнисдовність, в якій кількість імпульсів буде пропорційтим матеріалом, арифметичний пристрій контрона величині частотної розстройки між опорним і лера за нескладним алгоритмом обрахує величину вимірювальним резонаторами F00 - FB . Тобто, з ступені розпрямленості та паралелізації волокон урахуванням (2) можна записати за наведеною нижче формулою, прийнявши до уваги, що добротність опорного резонатора в процесі вимірювань не змінюється DQB K hQ = 1= B . (9) QB0 K B0 Тепер розглянемо особливості роботи пристрою в режимі визначення ступені розпрямленості та паралелізації волокон за величиною зміни резонансної частоти НВЧ вимірювального резонатора. Надвисокочастотні електромагнітні коливання із змінною частотою, що подаються на вимірювальний 3 і опорний 8 резонатори одночасно, збуджують в них резонансні коливання. На вихідних клемах НВЧ детекторів 4 та 9 будуть сформовані резонансні імпульси (див. епюри напруг U4 та U9 нa Фіг.2.). Вимірювальний резонатор, що контактує із досліджуваним волокнистим матеріалом, резонує на частоті FB , більш низькій ніж опорний резонує на частоті F00 , що відповідає моментам часу tB і t0 відповідно (2). На малюнку пунктирною лінією показано часове положення вимірювального резонансного імпульсу без контакту із досліджуваним волокнистим матеріалом. На вихідних клемах першого 13 і другого 14 імпульсних екстрематорів в моменти резонансу tB і t0 вимірювального 3 і опорного 8 резонаторів будуть сформовані короткі прямокутні імпульси tp , тривалість яких значно менше тривалості імпульсів t 0 та tB ( tp á át0 , tp á átB ). Імпульс, що генерується в момент резонансу вимірювального резонатора, поступає на перший вхід тригера 15, а імпульс, що генерується в момент резонансу опорного резонатора, поступає на його другий вхід . (t - t ) DFB - 0 = FB - F0 = S 0 × S1 × 0 B = S0 × S1 × NB - 0 . (10) tT Ця імпульсна послідовність поступає на входи даних перемножувальних аналого-цифрових перетворювачів 21 і 24, на їх входи опорних напруг поступають напруги з виходів інтеграторів 20 і 23, величини яких пропорційні величинам резонансних частот вимірювального ф опорного резонаторів (7). Тому на виходах АЦП отримаємо з урахуванням (10) відповідні цифрові кодові сигнали KB- 0 = = N N NB - 0 × UB × S 21 = FD- 0 × N × S 21 × S 20 ; K 0 - 0 = DFB - 0 F × U 0 × S 22 = 00 × S 24 × S 23 N0 DF0 (11) де S21, S24 - крутість перетворення аналогоцифрових перетворювачів 21 і 24 відповідно; N розрядність аналого-цифрових перетворювачів. Можна вважати S21 @ S24 . Таким чином, цифрові кодові сигнали KB - 0 і K0- 0 прямо пропорційні величинам відносних розстроєк резонаторів. Арифметичний пристрій контролера за нескладним алгоритмом обрахує величину ступені розпрямленості та паралелізації волокон за наведеною нижче формулою, прийнявши до уваги, що частота опорного резонатора в процесі вимірювань не змінюється DF N × T × S20 × S21 hQ = 1- B - 0 = 1 (12) FB0 K B- 0 Таким чином, введення нових елементів до схеми і зміною функціональної зв'язків між елементами схеми, забезпечує безпосереднє визначення властивостей текстильних матеріалів (ступінь розпрямленості та орієнтації волокон). 11 Комп’ютерна в ерстка Г. Паяльніков 37282 Підписне 12 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