Измеритель электропроводности Советский патент 1985 года по МПК G01N27/72 

рого соединен с установочным входом третьего счетчика, выход переполнения которого соединено вторым входом первого триггера, а вход запуска измерителя электропроводности- с вторыми вхо- дами третьего и четвертого триггеров.

ИЗМЕРИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ, содержащий последовательно соединенные генератор образцовой частоты, первый элемент И и первьй счетчик, генератор качающейся частоты, выход которого соединен с входом вихретокового преобразователя, выходы которого соединены соответственно с входами первого и второго усилителей-формирователей, выход первого из которых соединен с первыми входами второго и третьего элементов И, а выход второго - с вторыми входами первого, второго и третьего элементов И, а также второй и третий счетчик, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены генератор квантуюцей частоты, четыре триггера, пять элементов И, элемент ШШ, выход которого соединен с управляющим входом генератсфа квантующей частоты, выход которого соединен с первыми входами четвертого и пятого элементов И, выходы которых соединены соответственно с суммирующим входом второго счетчика и вычитакщим входом третьего счетчика, сум1 шрующий вход которого соединен с выходом переполнения второго счетчика, при этом выход первого усилителя-формирователя соединен с вторым входом четвертого, элемента И, первы ми входами первого и второго триггеров и первым входом элемента ШШ, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя-формирователя и вторьм входом второго триггера, прямой выход которогЬ соединен с первым входом шестого элемента И, выход которого соединен с первым входом третьего триггера, выход которого соединен с первым входом седьмого элемента И,выход которого соединен с первым выходом измерителя электропроводности и третьими входами первого и третьего, элементов И, выход последнего из которых соединен 4 с установочным входом первого счетчика, выход которого соединен с вторым выходом измерителя электропроводности, причем инверсный выход перво:л го триггера соединен с вторым входом -ч шестого элемента И, а инверсный выход второго триггера - и первым входом восьмого элемента И, выход которого соединен с первым входом четвертого триггера, выход которого соединен с вторым входом седьмого элемента И, прямой выход первого триггера соединен с вторьфш входами пятого и восьмого элементов И и третьим входом второго элемента И, выход кото

I

Изобретение относится к измери- , тельной технике и может быть использовано для измерения электропроводности неферромагнитных материалов и изделий в машиностроении и других областях техники.

Известно устройство для измерения удельного электрического сопротивления немагнитных электропроводящих материалов, содержащее генератор образцовой частоты со схемой И на выходе, управляемый генератор периодических сигналов, выход которого соединен с входом вихретокового преобразователя, два усилителя-формирователя, входы которых подключены соответственно к выходам токовой и измерительной катушек преобразователя, фазовый детектор, блок задания разности фаз, усилитель рассогласования, делитель частоты и счетчик импульсов с цифровым индикатором на выходе, причем выходы формирователей соединены с входами фазового детектора, входы усилителя рассогласования соединены соответственно с выходом детектора и выходом блока задания разности фаз, а его выход - с входом генератора периодических сигналов,«выход которого соединен с входом делителя частоты, второй вход схемы И соединен с выходом делителя частоты, а ее выход - с входом счетчика импульсов lj .

Однако данное устройство обладает недостаточно высокими точностью измерения и быстродействием. В устройстве разность фаз, пропорциональную электропроводности контролируемого материала, с помощью фильтра низких частот преобразуют в напряжение постоянного тока, которое в дальнейшем сравнивают с напряжением, пропорциональным заданному значению разности фаз. Имеющая место.погрешность указанных преобразований, а также аддитивная погрешность вследствие дрейфа параметров активных элементов снижают точность устройства. При этом большая постоянная времени фильтра низких частот накладывает ограничение на быстродействие устройства.

Наиболее близким к изобретению является измеритель электропровод.ности, содержащий последовательно соединенные генератор образцовой частоты, элемент И и счетчик, генератор качающейся частоты, выход которого соединен с входом вихретокового преобразователя, выходы которого соединены соответственно с входами первого и второго усилителей-формирователей, выход первого из которы соединен с первыми входами второго и третьего элементов И, а выход второго - с вторыми входами первого, второго и третьего элементов И, а также второй и третий счетчик, схему эквивалентности, дешифратор и цифровой индикатор, причем выход второго элемента И соединен с входом второго счетчика, выходы первого и второго счетчика соединены с информационными входами схемы эквивалентности, управляющий вход которой соединен с выходом третьего элемента И, а выходс первым входом дешифратора, вторая группа входов которого соединена с выходами третьего счетчика,а выходыс входами цифрового индикатора, причем выход генератора образцовой частоты соединен с третьим входом второго элемента И, а выход первого элемента И соединен с входом третьего счетчика 2 ,

Однако в известном устройстве результат измерения определяется в момент совпадения измеряемой разности фаз с заданным значением. Для этого необходимо обеспечить выполнение условия ,.,+ 1, т.е. результат измерения N, разности фаз на i-ом пери I оде не должен отличаться от измерени 3 разности фаз на (1-1)-ом периоде бол ше, чем на единицу. Поэтому наличие случайных помех снижает точность и надежность работы устройства. Кроме того,устройство не может быть исполь зовано в составе автоматизированной информагщонно-измерительной системы неразрушашщего контроля материалов и изделий а значит точность результатов измерения не может быть повышена путем дальнейшей их математической обработки. Точность определения разности фаз в известном устройстве так же является недостаточной. Все зто ограничивает точность определения электропроводности материалов и изделий . Цель изобретения - повышение точности. Цель достигается тем, что в измеритель электропроводности, содержалщ последовательно соединенные генерато образцовой частоты, первый элемент И и первый счетчик, генератор качакядей ся частоты, выход которого соединен с входом вихретокрвого преобразователя, выходы которого соединены соот ветственно с входами первого и второ го усилителей-формирователей, выход первого из которых соединен с первыми входаг второго и третьего элемен тов И, а выход второго - с вторыми входами первого, второго и третьего элементов И, а также второй и третий счетчик, введены генератор квантующей частоты, четыре триггера, пять элементов И, элемент ИЛИ, выход кото рого соединен с управляющим входом генератора квантующей частоты, выход которого соединен с первыми входами четвертого и пятого элементов И, выходы которых соединены соответственно с суммиругощим входом второго счетчика и вычитающим входом третьег счетчика, суммирукнций вход которого соединен с выходом переполнения второго счетчика, при этом вь1ход первог усилителя-формирователя соединен с вторым входом четвертого элемента И, первыми входами первого и второго триггеров и первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого соедине с выходом второго усилителя-формирователя и вторым входом второго триггера, прямой выход которого соединен с первым входом шестого элемента И, выход которого соединен с первым входом третьего триггера.

дом элемента И 10, его инверсный 57 которого соединен с пepвы f выход входом седьмого элемента И, вы- . ход которого соединен с первым выходом измерителя электропроводности и третьими входами первого и третьего элементов И, выход последнего из которых соединен с установочным входом первого счетчика, выход которого соединен с. вторым выходом измерителя электропроводности, причем инверсный выход первого триггера соединен с вторым входом шестого элемента И, а инверсный выход второго триггера с первым входом восьмого элемента И, выход которого соединен с первым входом четвертого триггера, выход которого соединен с вторым входом седьмого элемента И, прямой выход первого триггера соединен с вторыми входами питого и восьмого элементов И и третьим входом второго элемента И, выход которого соединен с установочным входом третьего счетчика, выход переполнения которого соединен с вторым входом первого триггера, а вход запуска измерителя электропроводности - с вторыми входами третьего и четвертого триггеров. На фиг.1 изображена схема измерителя электропроводности; на фиг.2 временная диаграмма его работы. Измеритель электропроводности содержит генератор 1 квантующей частоты, генератор 2 качающейся частоты, генератор 3 образцовой частоты, преобразователь 4 вихретоковый, усшштели-формирователн 5 и 6, элемент ИЛИ 7, элементы И 8-15, триггеры 16-19 и счетчики 20-22 импульсов. Вход генератора 1 квантующей частоты соединен с выходом элемента ИЛИ 7, его выходы - с входами элементов И 8 и 9. Вход вихретокового преобразователя 4 соединен с выходом генератора 2 качающейся частоты, его выходы - с входами усилителей-формирователей 5 и 6. Выход усилителя-формирователя 5 соединен с входами элементов ИЛИ 7, И 8 и 12, инверсным входом элемента И 10 и установочными входами триггеров 16 и 17. Выход усилителя-формирователя 6 соединен с входами элементов ИЛИ 7 и И 10, инверсным входом элемента И 12 и входом сброса триггера 17. Прямой выход триггера 16 соединен с входами элементов И 9 и 13 и инверсным вхоВЫХОД - с входом элемента И 14. Прямой и инверсный выходы триггера 17 соединены соответственно с входами элементов И 14 и 13, выходы которых соединены с установочными входами триггеров 18 и 19. Входы элемента И1 соединены с выходами триггеров 18 и 19, его инверсный выход - с входами элементов И 11 и 12. Суммирующий вход счетчика 20 соединен с выходом элемента И 8, суммирующий вход счетчика 21 соединен с выходом переполнения счетчика 20, его вычитающий вход с выходом элемента И 9, установочный вход - с выходом элемента И 10 а выход переполнения - с входом сбро са триггера 16. Суммирующий вход счетчика 22 соединен с выходом элемента И 11, а его установочный вход с выходом элемента И 12. Выход элемента И 15, информационные выходы счетчика 22 и входы сброса триггеров 18 и 19 выведены для подсоединения к контроллеру микро-ЭВМ. На фиг.2 представлены диаграммы сигнала Пуск Uj, на входах сброса триггеров 18 и 19, сигнала U на выходе усилителя-формирователя 5, сигнала и на выходе усилителя-формирователя 6, сигнала Uj, на выходе триггера 16, сигнала Uj на выходе тригге ра 17, сигнала Ujg на выходе триггера 18, сигнала U|oHa выходе триггера 19, сигнала Ui. на выходе элемента И 15, сигнала U на суммирующем входе счетчика 21, сигнала U(j на вычитанщем входе счетчика 21, сигнала и,,, на установочном входе счетчика 21 сигнала J на суммирующем входе счет чика 22, сигнала Ujg на сбросовом вхо де счетчика 22. При этом tf, - момент поступления сигнала Пуск, t - момент появления на выходе усилителяформирователя 5 логической единицы, to момент появления на выходе усилителя форю1рователя 6 логической единицы, t- - момент появления на выходе усилителя-формирователя 5 логического нуля, Ц -момент появления на выходе усилителя-формирователя 6 логического нуля, t - момент оконча ния сформированного интервала ад Т - величина периода возбуждающего сигнал, S - временной интервал, соот ветствукщий измеряемому сдвигу фаз, временной интервал, соответствукяций заданному сдвигу фаз, N( результат квантования (1/2)Т импульсами частотой f , Ng - результат квантования импульсами частотой f ; N - результат квантования (1/2)Т импульсами частотой f... Устройство работает следующим образом. В измерителе используется переменночастотньй вихретоковьй метод измерения электропроводности неферромаг,нитных материалов, основанный на выполнении условия R, -|2 lfd|Uo const,(l) где Л дд, - номинальное значение обобщенного параметра (обычно/ н,„ 2-6); R:) - эквивалентный диаметр вихретокового преобразователя 4J f - значение частоты генератора 2, fi - удельная электропроводность контролируемого материала, /Чо - магнитная постоянная. Для выполнения условия (1) в измерителе, изменяя частоту f генератора 2 качающейся частоты, обеспечивают совпадение сдвига фаз (f между опорным сигналом на выходе усилителя-формирователя 5 и измерительным сигналом на выходе усилителя-формирователя 6 с заданным значением , Q ад . Заданное значение фазового сдвига в устройстве устанавливают путем изменения коэффициента деления ц счетчика 20. Козффициент п устанавливают целочисленным и равным или 3 или 4, что соответствует фазовому сдвигу в 60 или 45°. Преобразователь 4 устанавливают на поверхность контролируемого изделия. Все элементы измерителя приводят в исходное состояние, при котором триггеры 18 и 19 находятся в единичном состоянии, а счетчик 22 в нулевом состоянии. Генератор 2 вырабатывает синусоидальное напряжение, частота которого изменяется от mif, Д° rocijf и наоборот. Сигнал с выхода генератора 2 поступает на вход преобразователя 4, опорный UC и измеряемый UCg сигналы на соответствующих выходах которого сдвинуты один относительно другого на интервал f (фиг.2д), величина которого зависит от электропроводности d материала контролируемого изделия и частоты возбуждения преобразователя. Усилители-формирователи 5 и 6 преобразуют положительные полупериоды указанных сигналов в логические единицы, а отрицательные - в логические нули (фиг.2 б,в). В измерителе процесс измерения и сравнения фазовых сдвигов осуществля ется -непрерьшно и в нем условно мож но вьщелить два такта. Первый такт начинается с приходом в момент Ц переднего фронта сигнала с выхода усилителя-формирователя 5, который синхронизирует с помощью элемента ИЛИ 7генератор 1 и открьюает элемент И 8. Счетчик 21 начинает подсчитывать число N импульсов частотой fj, которую счетчик 20 делит в п раз. Тригге ры 16 и 17 при этом находятся в нуле вом состоянии. В момент tg на выходе усилителя-формирователя 6 появляется единичный уровень измеряемого сигнала. 8момент t окончания сигнала на вы ходе усилителя-формирователя 5 в счетчике 21 будет зафиксировано число (фиг.2и) ( 1 :/ dt гп .N, j 5 i| В момент t завершается первый такт и начинается второй такт. Задний фронт опорного сигнала с выхода усилителя-формирователя 5 устанавливает в единичное состояние триггеры 16 и 17, на выходах которых начинают формироваться соответственно времен(фиг.2г,д) ные интервалы и , ..fA-JL. (3) 2ft 2n C t.-tij (4) Единичный сигнал с выхода триггера 16 открьшает элемент И 9 и счетчик 21 начинает вычитать из зафиксированного числа NI число N импульсов частоты fv (фиг.2к). При равенст ве чисел N. и N передний фронт сигнала переполнения нулевого уровня с выхода счетчика 21 устанавливает в исходное состояние триггер 16. Триггер 17 в исходное состояние устанавливается задним фронтом сигнала с вы хода усилителя-формирователя 6. Длительности интервалов ад и сравниваются элементами И 13 и 14, В зависимости от знака разностного интервала tit на выходе элементов И 13 и 14 появляется импульс, длительность которого определяется соотношением А ± (), (5) Единичный сигнал синхронизации на выходе элемента ИЛИ 7 обеспечивает работу генератора 1 на протяжении времени (). При отсутствии на входах элемента И 10 единичных сигналов сигнал с его выхода записьшает в счетчик 21 единицу (фиг.2л). Сигнал Пуск, который поступил на вход измерителя в момент t,, установил в нулевое состояние триггеры 18 и 19 (фиг.2е, ж) вследствие чего с выхода элемента И 15 на входы элементов И 11 и 12 поступает разрешающий потенциал (фиг.2з). Счетчик 22 периодически подсчитыва,ет число N выходных импульсов генератора 3 образцовой частоты f, поступающих на его вход с выхода элемента И 11, при поступлении на вход последнего единичного сигнала с выхода усилителя-формирователя 6 (фиг.2н,м). При этом при поступлении на входы элемента И 12 единичного сигнала с выхода усилителя-формирователя 5 и нулевого сигнала с выхода усилителя-формирователя 6, единичный сигнал с его выхода устанавливает в нулевое состояние счетчик 22. Положим, что в начальный момент после поступления сигнала Пуск выполнялось условие . Тогда появившийся на выходе элемента И 13 сигнал длительностью л«. установит в единичное состояние триггер 18 (фиг.2ж). После того как в процессе зменения частоты генератора 2 разостный интервал изменит свой знак. диничньй сигнал с выхода элемента И 14 установит в единичное состоя-, ние триггер 19, Единичные сигналы с выходов триггеров 18 и 19 устанавливают на выходе элемента И 15 нулев° сигнал Готовность, который за-прещает изменение кода в счетнике 22 и сигнализирует об окончании процесса измерения.

измеритель может работать как в автономном режиме, так и в составе автоматизированной измерительиой системы на базе ЭВМ. Для запуска измерителя в автономном режиме используют кнопку Пуск, а о величине контролируемой электропроводности судят по значению числа N, за жсксированного в счетчике 22, Новый цикл измерений осуществляется подачей сигнала Пуск без предварительной установки элементов измерителя в исходное состояние.

При работе в составе АИС сигнал Пуск иницикруется ЭВМ. Точное значение электропроводности определяют из соотношения, полученного из (Oi

Т

Р ном

6v

(7)

, Xl fUoRl

(«Д,{„. .

На практике коэффициент для конкретных условий измерения определяют при калибровке измерителя посредством контрольного образца с известной электропроводностью d , тогда

О ° .

(8)

По сравнению с известным предлагаемый измеритель обладает рядом преимуществ. Определение момента сравнения интервалов 1эдд и по перемене знака разности А t повышает надежность работы измерителя в условиях

наличия случайных помех. Использование в измерителе управляемого генератора квантующей частоты позволяет увеличить точность сравнения разности фаз, так как начало квантования

синхронизовано передним фронтом положительного полупериода опорного сигнала, а само квантование возможно осуществлять на наибольшей для используемой элементной базы частоте.

При этом, к частоте f не предъявляется жестких требований по стабильности во времени и генератор по своей структуре может быть простым. Синхронизация начала квантования и

занесение в счетчик единицы позволяет обеспечить суммарную погрешность определения численного эквивалента и формирования заданного временного интервала не более t1/fц. Возможность использования измерителя совместно с ЭВМ позволяет увеличить точность измерения за счет применения математических методов обработки информации, определять эксплуатационные

параметры изделия, связанные с электропроводностью, создавать архив данных контроля по каждому изделию.

rbmoSHOcffit

ti ц 4i

5. : :$ ; 1 :| : :|

ч -4 t