Устройство контроля веществ

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может использоваться в области неразрушающего контроля веществ, измерения статистических характеристик случайных процессов.

В неразрушающем контроле статистический метод повышает достоверность принятия решения при оценке качества материала, вещества или изделия.

При статистическом анализе случайных величин используется статистическое среднее значение вида [Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. - Москва: Радио и связь, 1982, с. 32]

называемое характеристической функцией (х.ф.), где

V_m - параметр х.ф.;

η - случайная величина;

m₁ - знак математического ожидания.

Преобразование выражения (1) приводит его к виду

где A(V_m), B(V_m) - действительная и мнимая части х.ф. соответственно.

Известно устройство для измерения плотности вероятности фазы сигнала [Патент 2313101, кл. G01R 25/00. Анализатор плотности вероятности фазы сигнала / Ю.М. Вешкурцев, М.В. Кучеров. Опубл. 20.12.2007. Бюл. №35]. Устройство содержит аналоговый запоминающий блок, два блока выборки и хранения, два АЦП, формирователь стробирующих импульсов, формирователь опорного колебания, управляемый генератор, блок управления, первый и второй накапливающие сумматоры, первый и второй перемножители, оперативный сумматор, первый и второй функциональные преобразователи, дополнительный накапливающий сумматор, отсчетный блок с памятью.

Принцип работы данного устройства состоит в измерении действительной и мнимой частей х.ф. при разных значениях параметра V_m и определении плотности вероятности фазы сигнала в соответствии с алгоритмом [Вешкурцев Ю.М. Прикладной анализ характеристической функции случайных процессов. - Москва: Радио и связь, 2003, с. 58].

Недостатком данного устройства являются ограниченные функциональные возможности, так как оно не позволяет проводить контроль веществ.

Из известных наиболее близким по технической сущности является статистический анализатор [Патент 2019845, кл. G01R 23/16. Статистический анализатор / Ю.М. Вешкурцев, Ю.И. Сысоев. Опубл. 15.09.1994. Бюл. №17], содержащий последовательно включенные аналого-запоминающий блок, первую и вторую цепи преобразования, каждая из которых содержит последовательно соединенные узел выборки и хранения, аналого-цифровой преобразователь, накапливающий усредняющий сумматор и отсчетный блок, причем выход первой цепи подключен к первому входу вычислительного устройства, а выход второй цепи присоединен к второму входу вычислительного устройства, у которого первый выход подключен к входам стробирования накапливающих усредняющих сумматоров, объединенных в шину «Время измерения», а второй выход вычислительного устройства соединен с входом управляемого генератора тактовых импульсов, первый выход которого присоединен к первому тактовому входу аналого-запоминающего блока, а второй выход подключен к второму тактовому входу аналого-запоминающего блока, выход которого связан с входом формирователя стробирующих импульсов, первый выход которого присоединен к входам стробирования узла выборки и хранения и аналого-цифрового преобразователя первой цепи, а второй выход подключен к входам стробирования узла выборки и хранения и аналого-цифрового преобразователя второй цепи.

Устройство измеряет действительную и мнимую части х.ф. при разных значениях параметра V_m и определяет корреляционную функцию в соответствии с алгоритмом

[Вешкурцев Ю.М. Прикладной анализ характеристической функции случайных процессов. - Москва: Радио и связь, 2003, с. 74]. Недостатком устройства являются ограниченные функциональные возможности, так как оно не применяется для контроля веществ.

Задача предлагаемого изобретения - расширение функциональных возможностей устройства.

Указанная задача достигается благодаря тому, что в известное устройство, содержащее последовательно включенные аналого-запоминающий блок, первую и вторую цепи преобразования, каждая из которых содержит последовательно соединенные узел выборки и хранения, аналого-цифровой преобразователь, накапливающий усредняющий сумматор и отсчетный блок, причем выход первой цепи подключен к первому входу вычислительного устройства, а выход второй цепи присоединен к второму входу вычислительного устройства, у которого первый выход подключен к входам стробирования накапливающих усредняющих сумматоров, объединенных в шину «Время измерения», а второй выход вычислительного устройства соединен с входом управляемого генератора тактовых импульсов, первый выход которого присоединен к первому тактовому входу аналого-запоминающего блока, а второй выход подключен к второму тактовому входу аналого-запоминающего блока, выход которого связан с входом формирователя стробирующих импульсов, первый выход которого присоединен к входам стробирования узла выборки и хранения и аналого-цифрового преобразователя первой цепи, а второй выход подключен к входам стробирования узла выборки и хранения и аналого-цифрового преобразователя второй цепи, согласно изобретению введены включенные последовательно источник излучения, элемент с объектом контроля, преобразователь физического поля, выход которого подключен к входу аналого-запоминающего блока.

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства контроля веществ

На фиг. 2 - блок-схема алгоритма вычисления.

Устройство контроля веществ содержит источник излучения 1, элемент 2 с объектом контроля, преобразователь физического поля 3, аналого-запоминающий блок 4, формирователь стробирующих импульсов 5, узел выборки и хранения 6 и 7, аналого-цифровой преобразователь 8 и 9, накапливающий усредняющий сумматор 10 и 11, отсчетный блок 12 и 13, вычислительное устройство 14, управляемый генератор тактовых импульсов 15.

Источник излучения 1 связан с элементом 2 с объектом контроля, выход которого присоединен к входу преобразователя физического поля 3. Выход преобразователя физического поля 3 подключен к входу аналого-запоминающего блока 4, выход которого одновременно присоединен к входу формирователя стробирующих импульсов 5 и входам первой и второй цепи преобразования, каждая из которых содержит последовательно соединенные узел выборки и хранения 6, 7, аналого-цифровой преобразователь 8, 9, накапливающий усредняющий сумматор 10, 11 и отсчетный блок 12, 13. Выход отсчетного блока 12 первой цепи преобразования подключен к первому входу вычислительного устройства 14, а выход отсчетного блока 13 второй цепи преобразования присоединен ко второму входу вычислительного устройства 14. Первый выход вычислительного устройства 14 соединен со входами стробирования накапливающих усредняющих сумматоров 10, 11, объединенных в шину «Время измерения». Второй выход вычислительного устройства 14 подключен к входу управляемого генератора тактовых импульсов 15. Первый выход генератора тактовых импульсов 15 присоединен к первому тактовому входу аналого-запоминающего блока 4, а второй выход генератора тактовых импульсов 15 подключен к второму тактовому входу аналого-запоминающего блока 4. Первый выход формирователя стробирующих импульсов 5 присоединен к входам стробирования узла выборки и хранения 6 и аналого-цифрового преобразователя 8 первой цепи преобразования, а второй выход формирователя стробирующих импульсов 5 подключен к входам стробирования узла выборки и хранения 7 и аналого-цифрового преобразователя 9 второй цепи преобразования.

Контроль основан на анализе взаимодействия физического поля с объектом контроля, например веществом. Источником физического поля 1 может служить генератор электромагнитного излучения или элемент свечения (лампа накаливания, светодиод и др.), подключенный к генератору переменного напряжения.

Преобразователь физического поля 3 согласован с типом источника излучения, а при использовании лампы накаливания или светодиода представляет собой фотодиод, включенный в схему фотоприемника [Захаренко В.А., Колесникова Т.П., Шкаев А.Г. Расчет и проектирование оптико-электронных приборов. Учебное пособие. - Омск: изд-во ОмГТУ, 2002, с. 51].

Аналого-запоминающий блок 4 запоминает мгновенные значения входного сигнала на интервале, равном его периоду, и выдает эти дискретные значения на выход с частотой следования в V_m раз больше частоты импульсов дискретизации. Блок 4 выполнен по схеме из книги [Вешкурцев Ю.М. Прикладной анализ характеристической функции случайных процессов. - Москва: Радио и связь, 2003, с. 121].

Управляемый генератор тактовых импульсов 15 имеет два выхода. На первом выходе генератора импульсы появляются с частотой ω_г, а на втором - с частотой V_m⋅ω_г. Генератор управляется цифровым кодом, числовой эквивалент кода равен V_m, а код поступает с второго выхода вычислительного устройства 14.

Формирователь стробирующих импульсов 5 имеет два выхода, на которых импульсы сдвинуты относительно друг друга на 1/4 периода колебаний с частотой V_m⋅ω_г. Поэтому на выходе узлов выборки и хранения 6, 7 получаем две квадратурные составляющие вида cos(x) и sin(x) соответственно [Вешкурцев Ю.М. Прикладной анализ характеристической функции случайных процессов. - Москва: Радио и связь, 2003, с. 131].

Накапливающие усредняющие сумматоры 10, 11 предназначены для получения отсчетов характеристической функции путем суммирования кодов на выходах аналого-цифровых преобразователей 8, 9 соответственно. Сумматоры выполнены на основе микросхем из справочника [Якубовский С.В., Барканов Н.А., Кудряшов Б.П. и др. Аналоговые и цифровые интегральные схемы. - Москва: Сов. Радио, 1979, с. 233]. Каждый из накапливающих усредняющих сумматоров 10, 11 содержит сумматор, регистр памяти, запись в которой происходит при действии импульса на входе синхронизации с уровнем лог. «1», поступающего на вход стробирования сумматора, и одновибратор, обеспечивающий сброс содержимого регистра памяти при появлении переднего фронта импульса на входе стробирования.

Отсчетные блоки 12, 13 обеспечивают индикацию результатов контроля и содержат буферный регистр для связи с вычислительным устройством 14.

Вычислительное устройство 14 может быть выполнено в виде микроЭВМ, построенной на базе микропроцессорного комплекта К588 и памяти К537 из справочника [Якубовский С.В., Ниссельсон Л.И., Кулешов В.Н. Цифровые и аналоговые микросхемы. - Москва: Радио и связь, 1990. - 469 с.].

Устройство контроля веществ работает следующим образом.

После включения питания происходит очистка сумматоров, регистров памяти накапливающих усредняющих сумматоров 10, 11 и буферных регистров отсчетных блоков 12, 13. На первом выходе вычислительного устройства 14 появляется импульс длительностью Т - время измерения. На втором выходе вычислительного устройства 14 устанавливается код, соответствующий первому значению параметра V_m, т.е. единице.

Источник излучения модулирован по амплитуде квазидетерминированным сигналом вида

где η - начальный угол сдвига фаз случайно изменяется в пределах π…+π. После взаимодействия случайного электромагнитного поля с веществом плоская электромагнитная волна на входе преобразователя физического поля 3 описывается формулой

где τ_B - передаточная функция вещества; m_AM - индекс амплитудной модуляции; U_m - амплитуда плоской волны.

На выходе преобразователя физического поля 3 получим

где ε(τ_B)=Ωτ_B+η. Согласно описанию совместной работы аналого-запоминающего блока 4, управляемого генератора тактовых импульсов 15, формирователя стробирующих импульсов 5, узлов выборки и хранения 6, 7 [Вешкурцев Ю.М. Прикладной анализ характеристической функции случайных процессов. - Москва: Радио и связь, 2003, с. 131] на выходах узлов выборки и хранения 6, 7 соответственно будем иметь

где g(T-t) - импульсная характеристика узлов выборки и хранения 6, 7; Δt_c - длительность строб-импульса; Δt_c=π/(2VmΩ). Напряжения, пропорциональные (8.1), (8.2), поступают на входы аналого-цифровых преобразователей 8, 9 соответственно. На выходе аналого-цифрового преобразователя 8 появляется код x_i, а на выходе аналого-цифрового преобразователя 9 - код y_i, которые поступают в накапливающие сумматоры 10, 11 соответственно и там суммируются с кодами, записанными ранее. Здесь i - текущее значение величин A_i(V_m), B_i(V_m) и кодов x_i, y_i, где i=1, 2, …, N; N - объем выборки мгновенных значений сигнала (7). По завершении N выборок мгновенных значений сигнала в накапливающем усредняющем сумматоре 10 получают оценку действительной части х.ф.

при V_m=1, а в накапливающем сумматоре 11 - оценку мнимой части х.ф.

при V_m=1. Задним фронтом импульса «Время измерения» оценки действительной и мнимой частей х.ф. записываются в отсчетные блоки 12, 13 соответственно.

После этого на втором выходе вычислительного устройства 14 устанавливается код, соответствующий значению параметра V_m=2. На первом выходе вычислительного устройства 14 появляется импульс длительностью Т - время измерения. Работа устройства протекает аналогично вышеописанной. Так повторяется m раз, где V_m=1, 2, …, m. По завершении работы устройства в отсчетном блоке 12 записаны оценки действительной части х.ф.

А(1), А(2), А(3), …, А(m),

а в отсчетном блоке 13 записаны оценки мнимой части х.ф.

B(1), В(2), В(3), …, В(m).

Эти значения оценок х.ф. поступают в память вычислительного устройства 14, где хранятся известные оценки А(0), В(0), вытекающие из анализа основных свойств характеристической функции. В частности известны равенства А(0)=1, В(0)=0 [Вешкурцев Ю.М. Прикладной анализ характеристической функции случайных процессов. - Москва: Радио и связь, 2003, с. 48].

Массив оценок х.ф., хранящийся в памяти вычислительного устройства 14, по окончании процесса измерения представляет собой набор оценок действительной и мнимой частей х.ф., которые в соответствии с блок-схемой алгоритма (фиг. 2) по известным формулам [Вешкурцев Ю.М. Прикладной анализ характеристической функции случайных процессов. - Москва: Радио и связь, 2003, с. 23, 62] позволяют получить начальные моменты распределения первого m₁, второго m₂, третьего m₃, четвертого m₄ и центральные моменты распределения второго М₂, третьего М₃, четверного М₄ порядков. После этого центральные моменты распределения используют для вычисления критерия соответствия состава вещества стандарту или сертификату.

Критерий соответствия состава вещества стандарту определяют площадью треугольника, построенного в трехмерной декартовой системе координат. Вычислительное устройство 14 рассчитывает площадь треугольника в соответствии с блок-схемой алгоритма (фиг. 2) по формуле Герона. Площадь треугольника количественно определяет критерий соответствия состава вещества стандарту, при этом ее значения определяют границы лингвистических термов: «соответствует», «фальсификат».

Таким образом, введение источника излучения, элемента с объектом контроля, преобразователя физического поля с соответствующими связями позволяет расширить функциональные возможности устройства за счет контроля веществ.