Спосіб автоматизованого контролю якісних характеристик речовин у мікрохвильовому діапазоні та пристрій для його реалізації

1. Спосіб автоматизованого контролю якісних характеристик речовин у мікрохвильовому діапазоні, що включає етапи градуювання і вимірювання частотних залежностей при взаємодії електромагнітних хвиль з речовиною у частотному діапазоні та третій етап визначення невідомої якісної характеристики досліджуваної речовини шляхом порівняння між собою градуйованих та виміряних частотних залежностей, який відрізняється тим, що на першому етапі градуювання послідовно вимірюють у заданому діапазоні змінної частоти набір частотних залежностей згасання електромагнітних хвиль при проходженні їх послідовно крізь набір речовин одного класу або марки з різними попередньо відомими якісними характеристиками і формують та запам'ятовують базу даних градуйованих частотних залежностей згасання електромагнітних хвиль і відповідних якісних характеристик вказаного набору речовин, на другому етапі вимірюють у тому ж заданому частотному діапазоні і при тих же зовнішніх умовах індивідуальну частотну залежність згасання електромагнітних хвиль при проходженні їх крізь досліджувану речовину з У UA 1 РЕЧОВИН (19) ДЕРЖАВНИЙ ДЕПАРТАМЕНТ ІНТЕЛЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ 3 Винахід відноситься до автоматизації контролю якості речовин і може бути використаний для визначення якісних характеристик корисних копалин, будівельних матеріалів, товарів народного споживання та деяких стратегічних матеріалів тощо. Такими характеристиками є, наприклад, зольність та вологість вугілля, вологість інших речовин, наявність білку або клейковини у зерні пшениці тощо. У сучасній практиці використовуються гравіметричні способи контролю якісних характеристик речовин, електричні, нейронні, інфрачервоні, методи надзвичайно високих частот (НВЧ) або мікрохвильові способи та інші [див., наприклад, Кричевский Е.С., Волченко А.Г., Галушкин С.С. Контроль влажности твѐрдых и сыпучих материалов. - М.: Энергоатомиздат, 1986.; Анісімов М.Т., Овсяников В.В. Автоматизація контролю якості вугілля.- Киев.: Уголь Украины., 2007, С. 23-25; патента: SU № 1608523 А1, 23. 11. 90 р.; SU № 1626135 А1, 07.02.91 p.; RU № 2132051 С1, 20.06.99 р.]. Недоліками відомих способів є невисока точність контролю якісних характеристик речовин, у тому числі, на технологічному потоці або на конвеєрі. З відомих способів контролю найближчим до заявленого за технічною сутністю є спосіб експресконтролю якісних характеристик речовин у НВЧ діапазоні [деклараційний патент на винахід UA № 71301 А, 7 GO IN 22/00, 15.11.04 ρ, Бюл. № 11]. Контроль вологості речовини за допомогою запатентованого способу включає етапи градуювання та вимірювання частотної залежності електромагнітних характеристик на вході приймальнопередавальної антени, яка випромінює електромагнітну енергію змінної частоти від генератора нормально до поверхні речовини і одночасно приймає електромагнітну енергію, що відбита від цієї речовини, який відрізняється тим, що, на першому етапі вимірювань послідовно визначають і запам'ятають дискретний набір градуйованих частотних залежностей коефіцієнта стоячої хвилі за напругою на вході приймально-передавальної антени в одному й тому ж НВЧ діапазоні для даної речовини з різними якісними характеристиками, на другому етапі визначають і запам'ятають частотну залежність коефіцієнта стоячої хвилі за напругою у тому ж НВЧ діапазоні для речовини, яка досліджується з невідомою якісною характеристикою, на третьому етапі визначають невідому якісну характеристику речовини, яка досліджується шляхом послідовного порівняння частотної залежності коефіцієнта стоячої хвилі за напругою, одержаної на другому етапі з дискретним набором градуйованих залежностей, одержаних на першому етапі і знаходять мінімум цільової функції, яка являє собою суму квадратів відносної різниці коефіцієнтів стоячої хвилі за напругою для речовини з невідомою якісною характеристикою і з відомими градуйованими якісними характеристиками для дискретних частот того ж НВЧ діапазону, причому вказану суму ділять на загальну кількість дискретних частот цього НВЧ діапазону. До недоліків цього способу можна віднести невисоку точність контролю за рахунок надто ма 90540 4 лої частки електромагнітного сигналу, який відбивається від досліджуємої речовини та повертається назад у апертуру той самої приймальнопередавальної антени, а потім у вимірювальний прилад. Особливо це стосується речовин з сильним поглинанням електромагнітної енергії і отже з малим коефіцієнтом відбиття, в яких значною мірою поглинається опромінююча електромагнітна енергія, а енергія, яка пройшла скрізь досліджуєму речовину безкорисно розсіюється у навколишнє середовище. Це відноситься до вище названих різновидів вугілля, будівельних матеріалів, товарів народного споживання тощо. Таким чином, надто велика різниця між опромінюючою та відбитою від досліджуємої речовини мікрохвильовою енергією знижує точність контролю якості більшої частки речовин до ±5%. В основу винаходу поставлена задача удосконалення відомого способу автоматизованого контролю якісних характеристик речовин у мікрохвильовому діапазоні шляхом введення нових технологічних параметрів, яка досягається забезпеченням можливості контролю згасання електромагнітної хвилі у досліджуємої речовині в залежності від її якості, що знижує розсіяння електромагнітної енергії у навколишнє середовище і за рахунок цього підвищує точність контролю характеристик якості речовин. Ця задача вирішуються тим, що у способі автоматизованого контролю якісних характеристик речовин у мікрохвильовому діапазоні, який включає етапи градуювання і вимірювання частотних залежностей при взаємодії електромагнітних хвиль з речовиною у частотному діапазоні та третій етап визначення невідомої якісної характеристики речовини шляхом порівняння між собою градуйованих та виміряних частотних залежностей, згідно з винаходом на першому етапі завчасно послідовно визначають у заданому діапазоні змінної частоти набір градуйованих частотних залежностей згасання електромагнітних хвиль при проходженні їх скрізь набор речовин одного класу (або марки) з різними завчасно відомими якісними характеристиками і складають базу даних градуйованих частотних залежностей згасання електромагнітних хвиль і відповідних якісних характеристик; на другому етапі визначають у тому ж заданому частотному діапазоні, при тих же зовнішніх умовах індивідуальну частотну залежність згасання електромагнітних хвиль при проходженні їх скрізь дану речовину з невідомою якісною характеристикою; на третьому етапі визначають невідому якісну характеристику даної речовини шляхом послідовного порівняння її індивідуальної частотної залежності згасання у заданому діапазоні з набором бази даних градуйованих частотних залежностей згасання речовин у тому ж діапазоні з відомими якісними характеристиками і визначають, яка з градуйованих частотних залежностей згасання найближча до частотної залежності згасання речовини з невідомою якісною характеристикою, в результаті чого визначають значення якісної характеристики невідомої речовини. У сучасній практиці використовуються гравіметричні пристрої контролю якісних характеристик 5 90540 6 речовин, електричні, нейронні, інфрачервоні, прирою поглинається опромінююча електромагнітна строї надзвичайно високих частот (НВЧ) або мікенергія, а енергія, яка пройшла скрізь досліджуєму рохвильові пристрої тощо [див., наприклад, Кричеречовину безкорисно розсіюється у навколишнє вский Е.С., Волченко А.Г., Галушкин С.С. Контроль середовище. Це відноситься до вище названих влажности твѐрдых и сыпучих материалов. -М.: різновидів вугілля, будівельних матеріалів, товарів Энергоатомиздат, 1986.;Анісімов М.Т., Овсяников народного споживання тощо. Таким чином, надто В.В. Автоматизація контролю якості вугілля.- Кивелика різниця між опромінюючою та відбитою від ев.: Уголь Украины., 2007, С. 23-25; патента: SU № досліджуємої речовини мікрохвильовою енергією 1608523 ΑΙ, 23. 11. 90 p.; SU№ 1626135 ΑΙ, знижує точність контролю якості більшої частки 07.02.91 p.; RU№ 2132051 Cl, 20.06.99 p.]. речовин до ±5%. Недоліками відомих пристроїв є невисока точУ основу винаходу поставлена задача удосконість контролю якісних характеристик речовин, у налення відомого пристрою експрес-контролю тому числі, на технологічному потоці або конвеєрі. якісних характеристик речовин у НВЧ діапазоні З відомих пристроїв контролю якісних харакшляхом введення нових елементів та їх взаємного теристик речовин, найближчим до заявленого за розташування досягається можливість контролю технічною сутністю є пристрій, який реалізує спозгасання електромагнітної хвилі у досліджуємої сіб екс-прес-контролю якісних характеристик речоречовині, що знижує розсіяння електромагнітної вин у НВЧ діапазоні [деклараційний патент на виенергії у навколишнє середовище і за рахунок цьонахід UA № 71301 А, 7 G01N 22/00, 15.11.04 р, го підвищується точність контролю характеристик Бюл. № 11]. Пристрій складається з НВЧякості речовин. генератора, вентиля, двох спрямованих відгалуЦя задача вирішуються тим, що пристрій авжува-чів, двох високочастотних детекторів, прийтоматизованого контролю якісних характеристик мально-передавальної антени-датчика, речовини, речовин у мікрохвильовому діапазоні, що включає яка досліджується, принтера, генератора розгортмікрохвильовий генератор змінної частоти, виходи ки, електронно-променевої трубки, вимірювача якого з'єднані, відповідно, з генератором розгортки відношень, аналого-цифрового перетворювача, та з першим спрямованим відгалужувачем, виходи персонального комп'ютера, монітора. Як можна останнього, відповідно, - з першим високочастотбачити, високочастотна електромагнітна потужним детектором та з передавальною антеноюність, яка виробляється НВЧ-генератором, через датчиком, а вихід першого високочастотного детевентиль і спрямовані відгалужувачі поступає на ктора підключено до першого входу вимірювача вхід приймально-передавальної антени і випромівідношень, а на другий вхід вимірювача відношень нюється цією антеною у напрямку речовини, яка підключено вихід другого високочастотного детекдосліджується. Частина цієї потужності поглинатора, який з'єднай з другим спрямованим відгалується речовиною, яка досліджується, а частина, жувачем, причому два виходи вимірювача віднояка несе інформацію про якісну характеристику шень, відповідно, з'єднані з двома відхиляючими речовини, відбивається від неї і приймається тою пластинами електронно-променевої трубки, одна з ж антеною-датчиком. Таким чином, у НВЧ тракті яких з'єднана з генератором розгортки, а третій проміж вентилем та входом антени-датчика одновихід вимірювача відношень - з аналого-цифровим часно існують дві хвилі: падаюча та відбита, які перетворювачем та комп'ютером, згідно з винахорозповсюджуються у НВЧ тракті у взаємно протидом має узгоджене навантаження та приймальну лежних напрямках. Генератор розгортки керує антену-датчик, яка розташована із зазором відночастотою електромагнітної енергії, яку виробляє сно передавальної антени-датчика для розміщенНВЧ генератор та розгорткою виміряного коефіціня досліджуємої речовини, причому вихід приймаєнту стоячої хвилі за напругою (КСХН) на екрані льної антени-датчика підключено до входу другого електронно-променевої трубки і забезпечує плавспрямованого відгалужувача, а до його виходу ну зміну цієї частоти у межах, яка задана оператопідключено узгоджене навантаження. ром пристрою. Мала частина потужності, яка відНа фіг. 1 наведено структурну схему пристрою галужується спрямованими відгалужувачами для реалізації запропонованого способу. поступає на високочастотні детектори і після детеНа фіг. 2 наведено графіки дискретного набоктування подається на вимірювач відношень, який ру частотних градуйованих експериментальних на низької продетектованої частоті обчислює залежностей згасання, одержаних за допомогою КСХН на вході антени-датчика і спрямовує резульпристрою фіг. 1 для різної зольності Аr вугілля матуючу інформацію на електронно-променеву трубрки "АШ", яке здобуте у східному регіоні України. ку і одночасно на аналого-цифровий перетворюЗапропонований пристрій (фіг.1) автоматизовач. Аналого-цифровий перетворювач перетворює ваного контролю якісних характеристик речовин у аналогову інформацію у цифрову і передає її до мікрохвильовому діапазоні для реалізації способу персонального комп'ютера. за пунктом 1 складається з передавальної антениДо недоліків цього пристрою можна віднести датчика 1, яка опромінює досліджуєму речовину З, невисоку точність контролю за рахунок надто мамікрохвильового генератора змінної частоти 7, лої частки електромагнітного сигналу, який відбигенератора розгортки 10 з електронновається від досліджуємої речовини та повертаєтьпроменевою трубкою 11, двох спрямованих відгася назад у апертуру той самої приймальнолужувачів 4, 8 з високочастотними детекторами 6, передавальної антени, а потім у вимірювальний 9, відповідно, вимірювача відношень 12, аналогоприлад. Особливо це стосується речовин з сильцифрового перетворювача з буферним блоком та ним поглинанням електромагнітної енергії і отже з каналом передачі цифрових даних 13, комп'ютера малим коефіцієнтом відбиття, в яких значною мі14 з програмним забезпеченням для аналого 7 90540 8 цифрового перетворювача 13 та комп'ютера 14, бу визначення невідомої якісної характеристики згідно з винаходом він доповнений узгодженим речовини, яка контролюється. навантаженням 5 та приймальною антеноюБезпосереднє біля речовини 3, яка досліджудатчиком 2, яка розташована із зазором відносно ється, наприклад, біля конвеєра з речовиною, яка передавальної антени-датчика 1 для розміщення досліджується, розташовані спрямований відгалудосліджуємої речовини 3, причому вихід приймажувач 4 з узгодженим навантаженням 5 та високольної антени-датчика 2, підключено до входу дручастотним детектором 6. Ці складові частини пригого спрямованого відгалужувача 4, а до його вихістрою (фіг. 1) обведені на фігурі пунктирною ду підключено узгоджене навантаження 5. лінією. Інші складові частини пристрою можуть Запропонований спосіб автоматизованого конбути розташовані на деякої відстані від цих склатролю якісних характеристик речовин у мікрохвидових частин пристрою, наприклад, в лабораторльовому діапазоні реалізується за допомогою приному приміщенні з нормальною температурою та строю фіг.1. На першому етапі завчасно та вологістю у складі НВЧ-генератору 7, спрямованопослідовно визначають у заданому діапазоні змінго відгалужувана 8, високочастотного детектору 9, ної частоти за допомогою передавальної та прийгенератору розгортки 10, електронно-променевої мальної антен-датчиків 1, 2, відповідно, та притрубки 11, вимірювача відношень 12, аналогострою, який складається з НВЧ-генератора 7, двох цифрового перетворювача з буферним блоком 13, спрямованих відгалужувачів 4 та 8 з високочастокомп'ютера 14 зі спеціальним програмним забезтними детекторами 6 і 9, відповідно, узгодженого печенням, монітору 15 та принтера 16 . навантаження 5, генератора розгортки 10, електЯк видно з фіг.1, високочастотна електромагронно-променевої трубки 11, вимірювача віднонітна енергія, модульована низькочастотним меашень 12, аналого-цифрового перетворювача 13, ндром, яка виробляється НВЧ-генератором 7, чекомп'ютера 14, монітора 75, принтера 16 та спецірез спрямований відгалужувач 8 поступає на вхід ального програмного забезпечення, набір градупередавальної антени-датчика 1 і випромінюється йованих частотних залежностей згасання електцією антеною у напрямку речовини 3, яка досліромагнітних хвиль при проходженні їх послідовно джується та в напрямку приймальної антенискрізь набір речовин З одного класу (або марки) з датчика 2. Частина цієї енергії поглинається речорізними завчасно відомими якісними характерисвиною 3, а частина, яка несе інформацію про якістиками і складають базу даних градуйованих часну характеристику досліджує-мої речовини у певтотних залежностей згасання електромагнітних ному частотному діапазоні, поступає на вхід хвиль і відповідних якісних характеристик, наприприймальної антени-датчика 2, приймається нею клад, зольностей вугілля. та передається по високочастотному коаксіальноНа другому етапі визначають у тому ж задаму кабелю на вхід спрямованого відгалужувана 4 і ному частотному діапазоні, при тих же зовнішніх детектується високочастотним детектором 6. Геумовах за допомогою апаратури та обладнання, нератор розгортки 10 забезпечує автоматично що використовуються, на першому етапі, індивідучерез короткий період часу плавну зміну частоти альну частотну залежність згасання електромагніелектромагнітної енергії генератора 7 від мініматних хвиль при проходженні їх скрізь дану речовильного до максимального значення, які задані ну 3 (фіг. 1) з невідомою якісною характеристикою, оператором та одночасно забезпечує розгортку на наприклад, зольністю вугілля. екрані електронно-променевої трубки 11 виміряноНа третьому етапі визначають невідому якісну го значення згасання S НВЧ енергії у досліджуємої характеристику даної речовини 3 (фіг.1) шляхом речовині 3. Незначні частини потужності, які відгапослідовного порівняння її індивідуальної частотлужуються приладами 4 і 8 з основного НВЧ тракної залежності згасання у заданому діапазоні з ту поступають на високочастотні детектори 6 і 9 і набором бази даних градуйованих частотних запісля детектування подаються на вимірювач відлежностей згасання речовин у тому ж діапазоні з ношень 12, який обчислює згасання S між антенавідомими якісними характеристиками і визначами-датчиками 1, 2 і досліджуємою речовиною 3 і ють, яка з градуйованих частотних залежностей спрямовує результуючу інформацію на електронзгасання найближча до частотної залежності згано-променеву трубку 11 і одночасно на аналогосання для речовини 3 (фіг. 1) з невідомою якісною цифровий перетворювач 13. Аналого-цифровий характеристикою, в результаті чого визначають за перетворювач 13 перетворює аналогову частотну допомогою комп'ютера 14 зі спеціальним програмзалежність згасання у цифрову і передає її, наприним забезпеченням значення невідомої якісної клад, по провідному каналу RS-232 до комп'ютера характеристики речовини, наприклад, зольності 14, де ця інформація запам'ятовується та обробвугілля. ляється. При тому, у комп'ютері 14 відповідно зі На фіг.2 наведено експериментальні графіки спеціальним програмним забезпеченням визначачастотних залежностей згасання (S) від зольності ється невідома якісна характеристика даної речоАr вугілля, які одержані за допомогою пристрою вини шляхом послідовного порівняння її індивіду(фіг.1): залежність 1 відповідає зольності Аr альної частотної залежності згасання у заданому r г =21,7%, залежність 2 - А = 24,8%, залежність 3 - А діапазоні з набором бази даних градуйованих час=26,7% і залежність 4 - Аr =27,5%. тотних залежностей згасання речовин у тому ж Як випливає з графіків, спостерігається коредіапазоні з відомими якісними характеристиками і ляційна залежність згасання S від зольності Аr визначається, яка з градуйованих частотних залевугілля, що дозволяє використовувати ці частотні жностей згасання найближча до частотної залежзалежності для реалізації запропонованого спосоності згасання речовини з невідомою якісною характеристикою, в результаті чого визначається 9 90540 10 значення невідомої якісної характеристики речомінімуму цільової функції у всіх дискретних частовини, наприклад, зольності вугілля. тних точках одного й того ж частотного діапазону. На фіг.2 наведено експериментальні графіки Відповідно до запропонованого способу та частотних залежностей згасання S від зольності Аr пристрою, що його реалізує, вимірювання залежвугілля, які одержані за допомогою пристрою, ності згасання S у частотному діапазоні, тобто при структурна схема якого наведена на фіг. 1: залежвиконанні частотного сканування, значно підвищує ність 1 відповідає зольності Аr =21,7%, залежність точність, достовірність та розрахункову спромож2 - Аr =24,8%, залежність 3 - Аr =26,1% і залежність ність результатів вимірювання невідомих якісних 4 - Аr =21,5%. Як випливає з графіків, спостерігахарактеристик речовин, які досліджуються. Визнається кореляційна залежність згасання S від зольчена якісна характеристика речовини оперативно ності Аr вугілля, що дозволяє використовувати ці видається на екран монітору 15 і при необхідності частотні залежності для ідентифікації і визначення документується на принтері 9, або іншому носії невідомої якості (зольності) речовини, яка контроінформації. люється. Позитивною якістю способу та пристрою, що Визначення невідомої якісної характеристики його реалізує є також відсутність необхідності у речовини, у даному прикладі - зольності вугілля, руйнуванні речовини, яка досліджується в процесі виконується послідовним порівнянням цієї частотконтролю та екологічна чистота процедури контної залежності згасання S з дискретним набором ролю. Тобто має місце недоторканість речовини, градуйованих відомих якісних характеристик, які яка досліджується, а також малий рівень НВЧ енезаписані заздалегідь у пам'яті комп'ютера 14 (фіг. ргії, якою опромінюється досліджуєма речовина, 1) для низки речовин з відомими якісними харакщо задовольняє екологічним нормам (не більш ніж теристиками. 1 Вт). Відстань антен-датчиків 1 та. 2 від речовини Послідовне порівняння частотної залежності 3, яка досліджується (фіг.1) вибирається з електзгасання S невідомої характеристики речовини з родинамічних та конструктивних розумінь. набором градуйованих характеристик, записаних у Запропонований спосіб автоматизованого конпам'яті комп'ютера 14 (фіг.1) для речовин з відотролю якісних характеристик речовин у мікрохвимими характеристиками ослаблення, виконується льовому діапазоні та пристрій для його реалізації в автоматичному режимі на комп'ютері 14 відповіможна кваліфікувати як спосіб та пристрій мікрохдно алгоритму пошуку мінімуму цільової функції. вильової НВЧ спектроскопії речовин. Таким чином, комп'ютер 14 вирішує задачу пошуку Порівняльні характеристики запропонованого способу з прототипом наведено у таблиці. Таблиця № п/п Найменування способу 1 Спосіб, що заявляється Прототип 2 Похибка експресконтролю, %. Залежність результатів вимірювань від впливу навколишнього середовища Вартість (відносна)