Прилад для контролю товщини стінки обтічників на робочому місці при їх механічній обробці

Реферат: Прилад для контролю товщини стінки обтічників на робочому місці при їх механічній обробці містить генератор гармонійних коливань НВЧ діапазону, два дільника потужності, циркулятор із під'єднаною приймально-випромінювальною антеною, узгоджуючий атенюатор, два НВЧ балансні змішувачі, два формувачі коротких імпульсів та фазовий детектор на тригерах, синхронний детектор і індикатор. Як циркулятор використовується багатопозиційний НВЧ вузол із під'єднаними до нього додатково введеними приймально-випромінюючими антенами, закріпленими на відповідних рухливих штоках, розташованих на скобі, що повторює форму обтічника. Як двополюсний автоматичний перемикач використовуються два однополюсні автоматичні перемикачі і додатково введений НВЧ автоматичний перемикач і також введені комп'ютер з генератором тактової частоти (мікроЕОМ), аналого-цифровий перетворювач, фільтр нижніх частот. UA 83319 U (12) UA 83319 U UA 83319 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до радіовимірювальної техніки і може бути використана для автоматизованого неруйнівного контролю товщини стінки радіопрозорих обтічників з діелектричних матеріалів за рахунок застосування фазовимірювальної радіометричної системи. Діелектричні радіопрозорі обтічники широко використовуються в літакобудуванні та ракетній техніці і до їх габаритних розмірів (товщина стінки) пред'являються високі вимоги. Проведення на робочому місці в умовах механічної обробки даної продукції неруйнівного експрес-контролю товщини стінки дозволяє понизити кількість браку і підвищити продуктивність праці. Відома корисна модель неруйнівного радіометричного контролю об'єктів (див. патент № 45091 (Україна), G01N 22/00, G01R 21/127, А61В 5/05, 2009 p.), що містить широкосмугову антену, спрямований відгалужувач, два амплітудних модулятора, вентиль, кодокеровані атенюатор, ключ, два генератора сигналів, автоматичний перемикач, надвисокочастотний (НВЧ) гетеродин, НВЧ змішувач, підсилювачі проміжної і низької частот, квадратичний і синхронний детектори, фільтр нижніх частот, аналого-цифровий перетворювач (АЦП), дільник частоти, мікроЕОМ і індикатор. Однак, дана модель передбачає контроль технологічних параметрів виробів за рахунок виміру потужності відбитого сигналу, що не забезпечує необхідної точності контролю товщини стінки обтічника. Існує система неруйнівного радіометричного контролю об'єктів (див. патент України № 27651, МПК G01R 29/08, 2000 p.), що містить дві НВЧ антени, виходи яких з'єднані з входами АП, а до виходу останнього підключені послідовно з'єднані НВЧ підсилювач, НВЧ змішувач, підсилювач проміжної частоти і квадратичний детектор, комутаційний генератор, вихід якого з'єднаний з керуючим входом автоматичного перемикача, НВЧ гетеродин, підключений до другого входу НВЧ змішувача і індикатор. Крім цього схема містить генератор шуму, керований атенюатор, блок керування, погоджене навантаження і подвійний хвилевідний трійник як суматор, а також послідовно з'єднані підсилювач низької частоти і синхронний детектор. Результат порівняння в радіометрі значною мірою залежить від нестабільності коефіцієнтів підсилення НВЧ підсилювача і підсилювача проміжної частоти, крутості перетворення НВЧ змішувача і квадратичного детектора, мінливості потужності НВЧ гетеродина. Крім цього дана система не дозволяє в автоматичному режимі сканувати обтічники на робочому місці при їх механічній обробці і забезпечувати фазовий контроль їх товщини стінки. Як прототип вибрано радіометричну систему неруйнівного контролю (див. Модуляційні радіометричні пристрої та системи НВЧ діапазону: Навч. посібник. / Скрипник Ю.О., Манойлов В.П., Яненко О.П. - Житомир: ЖІТІ, 2001. - С. 302-311), що містить приймально-випромінюючу антену, два генератора коливань, два дільника потужності, циркулятор, узгоджуючий атенюатор, два НВЧ балансних змішувача, два підсилювача проміжної частоти, два формувача коротких імпульсів, лінійний фазовий детектор, два квадратурних фазодільника, два НВЧ балансних модулятора, подвійний хвилевідний трійник, автоматичний перемикач, тригерний фазовий детектор, фільтр верхніх частот, підсилювач низької частоти, синхронний детектор та індикатор. Поряд з забезпеченням почергового змішування НВЧ коливань НВЧ сигналами, зміщеними за частотою в протилежних напрямках, а також послаблення міжканальних зв'язків радіометрична система являє собою одноантенну модель без можливості калібровки начальних фаз опромінюючих сигналів. Вірогідність контролю радіопрозорих обтічників при цьому буде недостатня, для дослідження якості параметрів всього обтічника буде потрібно значний час, що буде стримуючим чинником в технологічному процесі. В основу корисної моделі поставлена задача створити прилад для контролю товщини стінки обтічників на робочому місці при їх механічній обробці, у якому введення нових елементів і зв'язків забезпечило б в автоматичному режимі сканування виробів, підвищення вірогідності фазового контролю товщини їх стінки і зниження часу контролю за рахунок застосування в системі багатоантенного методу вимірювання, а також забезпечення калібровки фазових НВЧ сигналів. Поставлена задача вирішується тим, що у прилад для контролю товщини стінки обтічників на робочому місці при їх механічній обробці, що містить генератор гармонійних коливань НВЧ діапазону, два дільника потужності, підключені до генератора, циркулятор із під'єднаною приймально-випромінювальною антеною, направленою на контрольований об'єкт, узгоджуючий атенюатор, підключений до другого виходу дільника потужності, два НВЧ балансні змішувачі, до виходів яких підключені послідовно з'єднані два підсилювача проміжної частоти, два формувачі коротких імпульсів та фазовий детектор на тригерах, до виходу якого підключені послідовно з'єднані фільтр верхніх частот, підсилювач низької частоти, синхронний детектор і індикатор, до другого виходу першого дільника потужності підключений НВЧ квадратурний фазодільник, до виходів якого через два НВЧ балансні модулятори підключений подвійний хвилевідний трійник, 1 UA 83319 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 виходи якого з'єднані з другими входами двох НВЧ балансних змішувачів, виходи низькочастотного квадратурного фазодільника з'єднані через двополюсний автоматичний перемикач з модулюючими входами НВЧ балансних модуляторів, згідно з корисною моделлю, як циркулятор використовується багатопозиційний НВЧ вузол із під'єднаними до нього додатково введеними приймально-випромінюючими антенами, закріпленими на відповідних рухливих штоках, розташованих на скобі, що повторює форму обтічника, як двополюсний автоматичний перемикач використовуються два однополюсні автоматичні перемикачі і додатково введений НВЧ автоматичний перемикач, входи якого відповідно підключені до одного плеча другого дільника потужності і входу НВЧ балансного змішувача, а вихід послідовно з'єднаний з входом багатопозиційного циркулятора, і також введені комп'ютер з генератором тактової частоти (мікроЕОМ), АЦП, фільтр нижніх частот, перший аналоговий вихід комп'ютера з'єднаний з кодокерованим генератором сигналів, що перемикає, другий цифровий вихід з'єднаний з кодокерованими антенними штоками для калібровки фази сигналів, третій цифровий вихід з'єднаний з кодокерованим блоком керування режимом механічної обробки обтічника (БР), четвертий цифровий вихід з'єднаний з АЦП, п'ятий цифровий вихід з'єднаний з цифровим індикатором, до аналогового входу АЦП підключено вихід додатково введеного фільтра нижніх частот, а цифровий вихід АЦП підключено до цифрового входу комп'ютера, керуючі сигнали тактової частоти із комп'ютера через дільник частоти подаються на три автоматичні перемикача і синхронний детектор. Введення замість одної рупорної антени блока із рупорних приймально-випромінюючих антен, закріплених на відповідних рухливих штоках, розташованих на скобі, що повторює форму обтічника, введення автоматизованої системи калибровки, вимірювання і керування технологічним процесом механічній обробці обтічників, а також додатково введення автоматичного перемикача, багатопозиційного циркулятора, блока керування режимом механічної обробки обтічника, фільтра нижніх частот і АЦП дозволяє значно підвищити вірогідність і знизити час контролю технологічних параметрів радіопрозорих обтічників в автоматичному режимі за встановленою програмою, підвищує точність вимірювань параметрів товщини стінки обтічників. На кресленні представлена електрична функціональна схема приладу для контролю товщини стінки обтічників на робочому місці при їх механічній обробці. Прилад для контролю товщини стінки обтічників на робочому місці при їх механічній обробці, включає наступні елементи: генератор 16 гармонійних коливань НВЧ діапазону, дільники потужності 14 і 15, підключені до генератора, автоматичний перемикач 13 і циркулятор 12 із під'єднаними приймально-випромінюючими антенами 1-5, закріпленими на відповідних рухливих штоках 6-10, розташованих на скобі 11, що повторює форму обтічника "О", узгоджуючий атенюатор 17, підключений до другого виходу дільника потужності 15, НВЧ балансні змішувачі 27 і 28, до виходів яких підключені послідовно з'єднані підсилювачі проміжної частоти 29 і 30, формувачі коротких імпульсів 31 і 32 та лінійний фазовий детектор 33 на тригерах. До другого виходу першого дільника потужності підключений НВЧ квадратурний фазодільник 18, до виходів якого через НВЧ балансні модулятори 20 і 21 підключений подвійний хвилевідний трійник 22, виходи якого з'єднані з другими входами НВЧ балансних змішувачів 29 і 30, низькочастотний гетеродин, вбудований в мікроЕОМ 40 і з'єднаний з низькочастотним квадратурним фазодільником 26, виходи якого через автоматичні перемикачі 23 і 24 з'єднані з модулюючими входами НВЧ балансних модуляторів 20 і 21. Дільник частоти 25 з'єднує керуючі входи автоматичних перемикачів 23 і 24 і вихід низькочастотного гетеродина, вбудованого в мікроЕОМ 40. До виходу тригерного фазового детектора 33 підключені послідовно з'єднані фільтр верхніх частот 34, підсилювач низької частоти 35, синхронний детектор 36, фільтр нижніх частот 37, АЦП 38, мікроЕОМ 40 та цифрової індикатор 41. Керуючий вхід синхронного детектора 36 з'єднаний із керуючими входами автоматичних перемикачів 13, 23 і 24. Прилад для виміру товщини стінки обтічників на робочому місці при їх механічній обробці на основі вимірювання зсуву фаз у відбитих НВЧ коливаннях працює таким чином. Перед початком роботи системи робиться її калібрування, тобто встановлюється в автоматичному режимі за допомогою мікроЕОМ 40 однакова відстань від антен 1-5 до поверхні виробу за рахунок регулювання довгі штоків 6-10, на яких укріплені антени. Регулювання здійснюється при почерговому підключенні антен до хвилевідного циркулятора 12. Вихідні гармонійні коливання генератора 16 НВЧ діапазону (мм-хвилі) частоти  і початкової фази  , (1) U1t   Um1 cost  1 2 UA 83319 U 5 10 15 розділяються за допомогою дільників потужності 14 і 15 на рівні частини. Частина потужності коливань із дільника 15 через АП 13 і хвилевідний циркулятор 12 надходить по програмі мікроЕОМ 40 в приймально-випромінювальні антени 1-5 і випромінюється в напрямку контрольованого об'єкта "О". Частина потужності коливань із дільника 15 надходить на узгоджуючий атенюатор 17. Відбиті від об'єкта коливання: (2) U1t   Um1 cost  1  0,5ГUm1 cost  1   де Г - коефіцієнт відбиття сигналів, що приймаються антенами 1-5 і через виходи хвилевідного циркулятора 12 і автоматичного перемикача 13 надходять на вхід НВЧ балансного змішувача 27 вимірювального каналу. Ослаблені атенюатором 17 коливання: (3) U3 t   Um3 cost  1 надходять на вхід НВЧ балансного змішувача 28 опорного каналу. Електричні довжини НВЧ вимірювального й опорного каналів вибираються однаковими. Частина потужності коливань із дільника 14 надходить на НВЧ фазорозщеплювач U1, де розділяється на два рівних квадратурних коливання: U4 t   Um4 cost  1 і (4) U5 t   Um5 sint  1 причому Um4  Um5 . Коливання U4 t  і U5 t  надходять на сигнальні входи НВЧ балансних модуляторів 20 і 21, на модулюючі входи яких подані низькочастотні квадратурні сигнали: U6 t   Um6 cost  3  і U7 t   Um7 sint  3  (5) із рівними амплітудами Um6  Um7  . Джерелом низькочастотних сигналів є низькочастотний гетеродин, вбудований в мікроЕОМ 40 звукової частоти  , із початковою фазою 3 і 20 низькочастотний квадратурний фазодільник 26, вихідні сигнали котрого U6 t  і U7 t  надходять на модулюючі входи НВЧ балансних модуляторів через автоматичні перемикачі 23 і 24. У результаті перетворення на виходах НВЧ модуляторів 29 і 21 формуються двочастотні НВЧ сигнали сумарної і різницевої частот: U8 t   0,5S1Um4Um6    t  1  3   cos  t  1  3 , cos U9 t   0,5S1Um5Um7    t  1  3   cos  t  1  3  cos S1 - крутизна перетворення балансних модуляторів. де 25 30 35 (6) Оскільки Um4Um6  Um5Um7 , то двочастотні сигнали U8 t  і U9 t  мають однакові амплітуди, а складова зміщених частот - протилежні знаки. Двочастотні сигнали надходять на входи подвійного хвилевідного трійника 22, де вони в плечах трійника підсумовуються і віднімаються. У результаті підсумовування сигналів на одному виході трійника 22 утворюються коливання різницевої частоти: (7)  U10 t   S1K1Um4Um6 cos  t  1  3  а в результаті віднімання на іншому виході трійника - коливання сумарної частоти: (8)  U11t   S1K1Um4Um6 cos  t  1  3  де K 1 - коефіцієнт передачі подвійного хвилевідного трійника. Коливання різницевої частоти надходять на другий вхід балансного змішувача 27, а коливання сумарної частоти - на другий вхід балансного змішувача 28. У результаті балансного  змішування НВЧ коливань різницевої частоти U10 t  з НВЧ коливаннями U2 t  вимірювального каналу утворюються різницеві коливання низької частоти: (9)  U12 t   S1K1S2Um2Um4Um6 cost  2  1  3  4  де S2 - крутизна балансного змішувача;  4 - фазовий зсув, внесений змішувачем 27.  При балансному змішуванні НВЧ коливань сумарної частоти U11t  з НВЧ коливаннями U3 t  також утворюються різницеві коливання низької частоти:  U13 t   S1K1S2Um3Um4Um6 cost  3  5  де 5 - фазовий зсув, внесений змішувачем 28. 3 (10) UA 83319 U Оскільки амплітуди потужності коливань Um2 і Um3 у загальному випадку не рівні через змінність коефіцієнта відбиття Г від контрольованого об'єкта "О", то 4  5 . 5 10 15 20   Сигнали низької частоти U12 t  і U13 t  виділяються і посилюються вузькосмуговими виборчими підсилювачами 29 і 30, настроєними на частоту  низькочастотного гетеродина, вбудованого в мікроЕОМ 40. Проте через неминучі розлагодження виборчих підсилювачів в процесі роботи пристрою вихідні посилені сигнали зсуваються на різні фазові кути: (11)  U14 t   S1K1S2K2Um2Um4Um6 cost  2  1  3  4  6   U15 t   S1K1S2K3Um3Um4Um6 cost  3  5  7  , де  6 і  7 - фазові зсуви, внесені розлагодженими виборчими підсилювачами 29 і 30 відповідно 6  7  і K 3 - коефіцієнти передачі підсилювачів 29 і 30. За допомогою формувачів 31 і 32 створюються короткі імпульси в моменти переходу через нуль кривих напруг, що надходять на лінійний фазовий детектор 33, виконаний за двополярною тригерною схемою. Вихідна напруга фазового детектора пропорційна різниці фаз вхідних сигналів: (12)    U16  S3 argU14  argU15   S3 2  1  4  6  5  7  де S3 - чутливість фазового детектора. Автоматичні перемикачі 23 і 24 управляються прямокутною напругою дільника частоти 25, що збуджується низькочастотною напругою гетеродину, вбудованого в мікроЕОМ 40. При коефіцієнті ділення n дільника частоти 25 через часові інтервали 2n /  відбувається зміна положення контактів автоматичних перемикачів 23 і 24. При цьому відбувається взаємне заміщення низькочастотних модулюючих сигналів, зсунутих на 90°. У результаті цього здійснюється взаємне заміщення сумарних і різницевих коливань НВЧ діапазону на виходах подвійного хвилевідного трійника 22: (13)  U10 t   S1K1Um4Um6 cos  t  1  3  (14)  U11t   S1K1Um4Um6 cos  t  1  3  Потім НВЧ коливання U2 t  вимірювального каналу змішуються з НВЧ коливаннями  сумарної частоти U10 t  , що утворює різницеві коливання низької частоти виду: 25 30 35 (15)  U12 t   S1K1S2Um2Um4Um6 cost  1  2  3  4  НВЧ коливання U3 t  опорного каналу змішуються з НВЧ коливаннями різницевої частоти  U11t  . У результаті перетворення одержуємо різницеве низькочастотне коливання: (16)  U13 t   S1K1S2Um3Um4Um6 cost  3  5  Оскільки виборчі підсилювачі вносять ті ж самі фазові зсуви в посилені напруги, то: (17)  U14 t   S1K1S2K2Um2Um4Um6 cost  1  2  3  4  6  (18)  U15 t   S1K1S2K3Um3Um4Um6 cost  3  5  7  Вихідна напруга фазового детектора з урахуванням змінених значень аргументів порівнюваних напруг приймає вигляд: (19)    U16  S3 argU14  argU15   S3 1  2  4  6  5  7    Зі співставлення напруг U16 і U16 видно, що при зміні положення автоматичних перемикачів 23 і 24 змінюється знак різниці фаз, що вимірюється ( 2  1 на 1  2 ), а інші складові залишаються незмінними. Тому при періодичній роботі автоматичних перемикачів 23 і 24 у вихідній напрузі фазового детектора 33 виникає змінна складової напруги, що пропорційна тільки різниці фаз, що вимірюється: (20)   U17  0,5U16  U16   S3 2  1 Змінна складова U17 виділяється фільтром верхніх частот 34, посилюється підсилювачем частоти комутації 35, випрямляється синхронним детектором 36 і виділяється фільтром нижніх частот 37. Випрямлена напруга вимірюється індикатором 41: (21) U18  S0 2  1 де S0 - результуюча чутливість перетворення різниці фаз у постійну напругу. 4 UA 83319 U 5 10 15 З отриманого виразу видно, що результат комутаційного перетворення не залежить від амплітудно-фазових спотворень у змішувачах (  4 та 5 ) і частотнофазових спотворень у виборчих підсилювачах (  6 та  7 ). Оскільки гетеродинні входи НВЧ змішувачів розв'язані між собою подвійним хвилевідним трійником, то практично відсутні фазові спотворення від паразитних міжканальних зв'язків. Таким чином, розглянутий прилад для контролю товщини стінки обтічників на робочому місці при їх механічній обробці за рахунок вимірювання зсуву фаз відбитих НВЧ коливань інваріантний до фазових спотворень у перетворювальних каналах, що забезпечує підвищення точності виміру інформаційних змін фази відбитих коливань. Комп'ютерне моделювання і дослідження показали, що прилад для контролю товщини стінки обтічників на робочому місці при їх механічній обробці за рахунок застосування в системі багатоантенного методу вимірювання, а також забезпечення калібровки фазових НВЧ сигналів в 5-мм-діапазоні частот (55-65 ГГц) має можливість виміру змін фази відбитого сигналу в межах 5-20° із похибкою не більш ±0,1° при зсуві частоти 10 кГц і коефіцієнті відбиття Г = 0,7…0,3, що відповідає виміру товщини стінки обтічника із похибкою не більш ±0,0014 мм. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 30 35 40 45 Прилад для контролю товщини стінки обтічників на робочому місці при їх механічній обробці, що містить генератор гармонійних коливань НВЧ діапазону, два дільника потужності, підключені до генератора, циркулятор із під'єднаною приймально-випромінювальною антеною, направленою на контрольований об'єкт, узгоджуючий атенюатор, підключений до другого виходу дільника потужності, два НВЧ балансні змішувачі, до виходів яких підключені послідовно з'єднані два підсилювача проміжної частоти, два формувачі коротких імпульсів та фазовий детектор на тригерах, до виходу якого підключені послідовно з'єднані фільтр верхніх частот, підсилювач низької частоти, синхронний детектор і індикатор, до другого виходу першого дільника потужності підключений НВЧ квадратурний фазодільник, до виходів якого через два НВЧ балансні модулятори підключений подвійний хвилеводний трійник, виходи якого з'єднані з другими входами двох НВЧ балансних змішувачів, виходи низькочастотного квадратурного фазодільника з'єднані через двополюсний автоматичний перемикач з модулюючими входами НВЧ балансних модуляторів, який відрізняється тим, що як циркулятор використовується багатопозиційний НВЧ вузол із під'єднаними до нього додатково введеними приймальновипромінюючими антенами, закріпленими на відповідних рухливих штоках, розташованих на скобі, що повторює форму обтічника, як двополюсний автоматичний перемикач використовуються два однополюсні автоматичні перемикачі і додатково введений НВЧ автоматичний перемикач, входи якого відповідно підключені до одного плеча другого дільника потужності і входу НВЧ балансного змішувача, а вихід послідовно з'єднаний з входом багатопозиційного циркулятора, і також введені комп'ютер з генератором тактової частоти (мікроЕОМ), аналого-цифровий перетворювач, фільтр нижніх частот, перший аналоговий вихід комп'ютера з'єднаний з кодокерованим генератором сигналів, що перемикає, другий цифровий вихід з'єднаний з кодокерованими антенними штоками для калібровки фази сигналів, третій цифровий вихід з'єднаний з кодокерованим блоком керування режимом механічної обробки обтічника (БР), четвертий цифровий вихід з'єднаний з аналого-цифровим перетворювачем, п'ятий цифровий вихід з'єднаний з цифровим індикатором, до аналогового входу аналогоцифрового перетворювача підключено вихід додатково введеного фільтра нижніх частот, а цифровий вихід аналого-цифрового перетворювача підключено до цифрового входу комп'ютера, керуючі сигнали тактової частоти із комп'ютера через дільник частоти подаються на три автоматичних перемикача і синхронний детектор. 5 UA 83319 U Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6