RU2332658C1 - Device to measure dielectric covering thickness - Google Patents

Abstract

FIELD: metrology.

SUBSTANCE: device incorporates indicator (1), power divider (2) connected with its second arm to the first arm of circulator (3), a horn transceiver antenna (4), a micro wave generator (5) with a varactor frequency tuning, amplitude detector (6) connected to the input of amplifier (7).

EFFECT: higher reliability of measurements.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами.The invention relates to the field of measuring equipment and can be used in process control systems.

Известно устройство для контроля толщины покрытия эмали на кузове легкового автомобиля (см. И.Чеховский. "Контроль толщины эмали на кузове". Радио, №1, 2004, стр.47), в котором о толщине покрытия эмали судят по изменению емкости двух последовательно включенных конденсаторов, соединенных с измерителем емкости.A device is known for controlling the thickness of the enamel coating on a car body (see I. Chekhovsky. "Monitoring the thickness of enamel on a body. Radio, No. 1, 2004, p. 47), in which the thickness of the enamel coating is judged by changing the capacitance of two in series included capacitors connected to a capacitance meter.

Недостатком этого известного устройства является контактность чувствительного элемента с исследуемой поверхностью и погрешность измерения из-за температурных влияний на емкость конденсаторов.The disadvantage of this known device is the contactivity of the sensing element with the test surface and the measurement error due to temperature effects on the capacitance of the capacitors.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятое автором за прототип фазоизмерительное устройство для измерения толщины диэлектрика (см. В.А.Викторов и др. "Радиоволновые измерения параметров технологических процессов", М.: Энергоатомиздат, 1989, стр.57-58), содержащее высокочастотный генератор, делитель мощности, измерительный и опорный каналы, представляющие собой чувствительный элемент в виде проводников открытой двухпроводной линии, и индикатор. Разность фаз сигналов в измерительном и опорном каналах является функцией толщины диэлектрического материала в данном устройстве.The closest technical solution to the proposed one is the phase measuring device adopted by the author for the prototype for measuring the thickness of the dielectric (see V.A. Viktorov et al. "Radio wave measurements of the parameters of technological processes", M .: Energoatomizdat, 1989, pp. 57-58), containing a high-frequency generator, a power divider, measuring and reference channels, which are a sensitive element in the form of conductors of an open two-wire line, and an indicator. The phase difference of the signals in the measuring and reference channels is a function of the thickness of the dielectric material in this device.

Недостатком этого устройства следует считать невысокую надежность из-за изменений погонных параметров (индуктивность, емкость, сопротивление потерь) проводников открытой двухпроводной линии.The disadvantage of this device should be considered low reliability due to changes in linear parameters (inductance, capacitance, loss resistance) of the conductors of an open two-wire line.

Задачей заявляемого изобретения является повышение надежности измерения.The task of the invention is to increase the reliability of measurement.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для измерения толщины диэлектрического покрытия, содержащем источник электромагнитных колебаний, подключенный выходом к первому плечу делителя мощности, чувствительный элемент и индикатор, введены циркулятор, амплитудный детектор и усилитель, чувствительный элемент выполнен в виде приемопередающей рупорной антенны, источник электромагнитных колебаний представляет собой микроволновой генератор с варакторной перестройкой частоты, при этом второе плечо делителя мощности подключено к первому плечу циркулятора, второе плечо которого соединено с входом-выходом приемопередающей рупорной антенны, третье плечо циркулятора через амплитудный детектор подключено ко входу усилителя, выход которого соединен с варактором микроволнового генератора, третье плечо делителя мощности соединено с индикатором.The problem is solved in that in the device for measuring the thickness of the dielectric coating, containing an electromagnetic oscillation source, connected to the first arm of the power divider, a sensing element and an indicator, a circulator, an amplitude detector and an amplifier are introduced, the sensitive element is made in the form of a transceiver horn antenna, source electromagnetic oscillation is a microwave generator with varactor frequency tuning, while the second arm of the power divider is connected to the first arm of the circulator, the second arm of which is connected to the input-output of the transceiver horn antenna, the third arm of the circulator is connected through an amplitude detector to the input of the amplifier, the output of which is connected to the varactor of the microwave generator, the third arm of the power divider is connected to the indicator.

Существенными отличительными признаками указанной выше совокупности является наличие циркулятора, амплитудного детектора и усилителя.The salient features of the above combination are the presence of a circulator, an amplitude detector, and an amplifier.

В заявляемом техническом решении, благодаря свойствам перечисленных признаков, варакторная перестройка частоты микроволнового генератора усиленным выходным сигналом амплитудного детектора, образованным циркулятором при отражении электромагнитных колебаний от поверхности диэлектрического покрытия на металлической основе, дает возможность решить поставленную задачу: обеспечить высокую надежность измерения толщины диэлектрического покрытия, нанесенного на металлическую основу.In the claimed technical solution, due to the properties of the listed features, the varactor frequency tuning of the microwave generator by the amplified output signal of the amplitude detector formed by the circulator when electromagnetic waves are reflected from the surface of the dielectric coating on a metal base makes it possible to solve the problem: to ensure high reliability of measuring the thickness of the dielectric coating applied on a metal base.

На чертеже приведена функциональная схема предлагаемого устройства.The drawing shows a functional diagram of the proposed device.

Устройство содержит индикатор 1, делитель мощности 2, подключенный вторым плечом к первому плечу циркулятора 3, приемопередающую рупорную антенну 4, микроволновый генератор с варакторной перестройкой частоты 5, амплитудный детектор 6, подключенный выходом ко входу усилителя 7. На чертеже цифрой 8 обозначено диэлектрическое покрытие на металлической основе.The device comprises an indicator 1, a power divider 2, connected by a second shoulder to the first arm of the circulator 3, a transceiver horn antenna 4, a microwave generator with varactor frequency tuning 5, an amplitude detector 6, connected by an output to the input of the amplifier 7. In the drawing, the number 8 denotes the dielectric coating on metal base.

Устройство работает следующим образом. Электромагнитные колебания с выхода микроволнового генератора 5 поступают на первое плечо делителя мощности 2. Здесь, благодаря свойствам последнего, колебания распределяются поровну между вторым и третьим плечами делителя мощности. После этого колебания через указанные второе и третье плечи делителя мощности поступают на первое плечо циркулятора 3 и на вход индикатора 1. Колебания, снимаемые со второго плеча циркулятора, передаются на вход-выход приемопередающей рупорной антенны 4, осуществляющей зондирование диэлектрического покрытия 8 и улавливание отраженного от поверхности диэлектрического покрытия сигнала. В рассматриваемом случае электромагнитные колебания после взаимодействия с диэлектрическим покрытием отражаются от его поверхности и с помощью рупорной антенны приходят во второе плечо циркулятора. Здесь, благодаря свойствам развязывания воли в циркуляторах (см. И.В.Лебедев. "Техника и приборы СВЧ", М.: Высшая школа, 1970, стр.293), отраженный сигнал снимается с третьего плеча циркулятора и поступает на вход амплитудного детектора 6.The device operates as follows. Electromagnetic vibrations from the output of the microwave generator 5 are fed to the first arm of the power divider 2. Here, due to the properties of the latter, the vibrations are distributed evenly between the second and third arms of the power divider. After this, the oscillations through the indicated second and third arms of the power divider are transmitted to the first arm of the circulator 3 and to the input of the indicator 1. The oscillations taken from the second arm of the circulator are transmitted to the input-output of the transceiver horn antenna 4, which senses the dielectric coating 8 and captures reflected from surface dielectric coating signal. In the case under consideration, electromagnetic oscillations after interaction with a dielectric coating are reflected from its surface and come to the second arm of the circulator with a horn antenna. Here, due to the properties of free will in circulators (see I.V. Lebedev. “Microwave Technique and Devices”, Moscow: Vysshaya Shkola, 1970, p. 293), the reflected signal is taken from the third arm of the circulator and fed to the input of the amplitude detector 6.

Как известно (см. В.А.Викторов и др. "Радиоволновые измерения параметров технологических процессов". М.: Энергоатомиздат, 1989, стр.52-53, 48-49), коэффициент отражения от диэлектрического слоя при d_n~λ - (интерференция), d_n - толщина диэлектрического покрытия, λ - длина зондирующей волны, может быть использован для измерения толщины контролируемого материала. Следовательно, измеряя амплитуду (мощность) в данном случае отраженного сигнала A_отр, связанную с коэффициентом отражения

, где А_зон - амплитуда (мощность) зондирующего сигнала, можно обеспечить контроль за толщиной диэлектрического покрытия при известных значениях коэффициента отражения P_отр и А_зон. Поскольку величина А_отр зависит от диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь материала, а также от длины волны, то высокоточный контроль возможен только при неизменности этих параметров.As is known (see V.A. Viktorov et al. "Radio wave measurements of technological process parameters". M: Energoatomizdat, 1989, pp. 52-53, 48-49), the reflection coefficient from the dielectric layer at d _n ~ λ - (interference), d _n is the thickness of the dielectric coating, λ is the length of the probe wave, can be used to measure the thickness of the controlled material. Therefore, by measuring the amplitude (power) in this case of the reflected signal A _OTr associated with the reflection coefficient

where A of the _zones is the amplitude (power) of the probe signal, it is possible to control the thickness of the dielectric coating at known values of the reflection coefficient P _Otr and A of the _zones . Since the value of _ATP depends on the dielectric constant and the tangent of the dielectric loss angle of the material, as well as on the wavelength, high-precision control is possible only if these parameters are unchanged.

Данный амплитудный метод, базирующийся на пассивной системе измерения толщины, уступающей активной системе из-за отсутствия цепи обратной связи, не может быть высоконадежным.This amplitude method, based on a passive thickness measurement system inferior to the active system due to the lack of a feedback circuit, cannot be highly reliable.

Согласно предлагаемому устройству отраженный от поверхности диэлектрического покрытия сигнал после детектирования в амплитудном детекторе поступает на вход усилителя 7. С выхода последнего усиленный сигнал подается на варактор микроволнового генератора 5. Изменение емкости варактора (см. Справочник по радиоэлектронике. Том 1. /Под общей редакцией проф. д.т.н. А.А.Куликовского. М.: Энергия, 1967, стр.400) в зависимости от приложенного к нему напряжения (усиленный после усилителя сигнал) обеспечивает перестройку частоты микроволнового генератора, т.е. устанавливается зависимость частоты электромагнитных колебаний микроволнового генератора от толщины диэлектрического покрытия на металлической основе. Для измерения частоты электромагнитных колебаний, связанной с толщиной диэлектрического покрытия, с третьего плеча делителя мощности колебания поступают на вход индикатора 1, например, частотомера, фиксирующего результат контроля за покрытием в цифровом виде. В результате образующейся обратной связи между приемопередающей рупорной антенной и микроволновым генератором изменение частоты последнего зависит только от изменения толщины покрытия, т.е. создается активная система, благодаря которой процесс преобразования и контроля покрытия оказывается самоподдерживающимся. Предлагаемое техническое решение может быть реализовано, например, на базе микроволнового генератора ГЛПД-2.According to the proposed device, the signal reflected from the surface of the dielectric coating after detection in the amplitude detector is fed to the input of the amplifier 7. From the output of the latter, the amplified signal is fed to the varactor of the microwave generator 5. Change the capacitance of the varactor (see the Handbook of Radio Electronics. Volume 1. / Under the general edition of prof Dr. A.A. Kulikovskogo M .: Energy, 1967, p. 400), depending on the voltage applied to it (the signal amplified after the amplifier), provides frequency tuning of the microwave generator and those. the dependence of the frequency of electromagnetic oscillations of the microwave generator on the thickness of the dielectric coating on a metal base is established. To measure the frequency of electromagnetic oscillations associated with the thickness of the dielectric coating, from the third arm of the power divider, the oscillations are transmitted to the input of indicator 1, for example, a frequency meter that records the result of monitoring the coating in digital form. As a result of the resulting feedback between the transceiver horn antenna and the microwave generator, the change in the frequency of the latter depends only on the change in the coating thickness, i.e. an active system is created, thanks to which the process of transformation and control of the coating is self-sustaining. The proposed technical solution can be implemented, for example, on the basis of the microwave generator GLPD-2.

Таким образом, в заявляемом техническом решении показано, что варакторная перестройка частоты микроволнового генератора при преобразовании толщины диэлектрического покрытия в отраженный сигнал дает возможность обеспечить более высокую надежность измерения покрытия из-за установления обратной связи между приемопередающей рупорной антенной и микроволновым генератором.Thus, in the claimed technical solution, it is shown that the characteristic tuning of the frequency of the microwave generator when converting the thickness of the dielectric coating into a reflected signal makes it possible to provide higher reliability of the measurement of the coating due to the establishment of feedback between the transceiver horn antenna and the microwave generator.

Claims (1)

Устройство для измерения толщины диэлектрического покрытия, нанесенного на металлическую основу, содержащее источник электромагнитных колебаний, подключенный выходом к первому плечу делителя мощности, чувствительный элемент и индикатор, отличающееся тем, что в него введены циркулятор, амплитудный детектор и усилитель, чувствительный элемент выполнен в виде приемопередающей рупорной антенны, источник электромагнитных колебаний представляет собой микроволновой генератор с варакторной перестройкой частоты, при этом второе плечо делителя мощности подключено к первому плечу циркулятора, второе плечо которого соединено с входом-выходом приемопередающей рупорной антенны, третье плечо циркулятора через амплитудный детектор подключено ко входу усилителя, выход которого соединен с варактором микроволнового генератора, третье плечо делителя мощности соединено с индикатором.A device for measuring the thickness of a dielectric coating deposited on a metal base containing an electromagnetic oscillation source connected to the first arm of the power divider, a sensing element and an indicator, characterized in that a circulator, an amplitude detector and an amplifier are introduced into it, the sensitive element is made in the form of a transceiver horn antenna, the source of electromagnetic oscillations is a microwave generator with varactor frequency tuning, while the second shoulder of Tell power is connected to the first arm of the circulator, a second arm which is connected to the input-output transceiver horn antenna, the third port of the circulator through the amplitude detector connected to the amplifier input, the output of which is connected to the microwave varactor oscillator, the third power divider is connected to the arm indicator.