Устройство для учета движущихся объектов Советский патент 1986 года по МПК G06M11/02 

Изобретение относится к средствам неразрушающего контроля основанных на использовании свойств физических полей, в частности к электронно- счетно-регистрирующим устройствам, устройствам отбраковки по физическим признакам и направлению движения, и может быть использовано в проводящих, полупроводящих, диэлектрических средах для контроля движущихся объектов живой и неживой природы.

Целью изобретения является расширение области применения устройства путем учета объектов движущихся как в токопроводящих, так и в диэлектрических средах.

На чертеже представлена структурная схема устройства для учета движущихся объектов устройства. Устройство содерлсит генератор 1 переменного напряжения, переключатель 2, формировател ь 3 импульсов, программно-временной блок 4, первый 5 и второй 6 ключи, первый 7 и второй 8 датчики, третий 9 и четвертый 10 ключи, ограничитель 11 напряжения, усилитель 12, фазовый детектор 13, блок 14 аналоговой памяти, сумматор 15, фильтр 16 нижних частот, компаратор 17, дифференцирующий элемент 18, регистратор 19.

Электроды первого 7 и второго 8 датчиков, выполненные в виде проводящих стержней, могут быть одинаковой длины и сгруппированы по парам. Если в вершинах плоского прямоугольника восстановить перпендикуляры к плоскости, то перпендикулярам соответствует расположение двух пар протяженных электродов в пространстве, причем меньшей стороне прямоугольника соответствует расстояние между парами электродов, которое выбирает-. ся из условия менее 20-й части длины объекта, Больша я сторона прямоугольника определяет расстояние меж- ду электродами в каждой из пар. Это расстояние выбирается таким, чтобы между электродами прошел объект и вьлзолнялось условие образования квазистатического плоскопараллельно- го поля между электродами в каждой паре при подаче на них переменного напряжения, расстояние между электродами в каждой паре должно быть значительно меньше длины волны зондирующего сигнала.

5

0

5

Генератор 1 служит для создания сигналов синусоидальной и косинусо- идальной форм, т.е. двух сигналов, находящихся в квадратуре по отношению друг к другу. Нижняя частота гармонического сигнала, генератора должна быть в несколько десятков раз выше максимально возможной радиальной скорости прохождения объектом Ъроме- жутка между электродами, а верхняя частота определяется условиями затухания сигнала в данной среде.

Переключатель 2 предназначен для переключения режима измерения, т.е. изменения фазы опорного сигнала, подаваемого на фазовый детектор 13. Если опорным напряжением фазового детектора 13 является сигнал с первого выхода генератора 1, то измеряется междуэлектродная емкость датчиков, т.е. контроль осуществляется в диэлектрических средах, в противном случае измеряется активная проводимость датчиков и контроль осуществляется .в проводящих и полупроводящих средах.в качестве переключателя 2 может использоваться любой тумблер на два положения.

Формирователь 3 служит для формирования прямоугольных импульсов из гармонического сигнала, поступающего с второго выхода генератора 1.

Блок 4 формирует управляняцие сигналы для переключения ключей 5 и 9, 6 и 10, для обнуления интегратора фазового детектора 13, для записи сигнала в блок 14, для переключения ключевых элементов в сумматоре 15. Блок 4 обеспечивает синхронную во времени работу отдельных узлов устройства, в котором реализуется принцип временного разделения между первым и вторым измерительными каналами.

5

Ключи 5, 9 и 6, 10 предназначены для попеременного подключения электродных датчиков к измерительной . схеме, что позволяет развязать-по

0 электрическому полю токов измерительные каналы на парах электродов датчиков 7 и 8. Частота коммутации датчиков 7 и 8 ()ициент деления частоты генератора 1 в блоке 4) опреде5 ляется по теореме Котельникова. Максимальная частота в спектре низкочастотного сигнала при прохождении объекта мелсду парами электродов датчиков 7 и 8 определяется макси

5

0

мальной скоростью движения объекта. В качестве датчиковых коммутаторов наиболее предпочтительным является использование аналоговых ключей в интегральном исполнении.

.Пары электродов датчиков 7 и 8 служат для создания в зоне контроля двух квазистатических плоскопараллельных полей на пути прохождения объектов. Каждой паре электродов, лежащих в одной плоскости, можно восстановить перпендикулярно к плоскости ось сим - метрии. В пространстве оси симметрии обеих пар электродов совпадают и

ориентированы по направлению движения 5 мому параметру одного из датчиков 7 объектов, а сами.электроды должны или 8. Сигнал записи информации в

быть строго парошлельны друг другу также между парами. Такое расположение электродных пар можно определит как установление пар электродов в пространстве параллельно и соосно. В качестве электродов могут быть использованы провода, трубы, протяженные пластины с произвольным изгибом по всей длине.

Ограничитель 11 служит для формирования опорного сигнала для фазово детектора в виде прямоугольных импульсов, который подается на управляющий вход детектора 13, при этом через .переключатель 2 подводится либо напряжение с первого выхода генератора 1 при измерении реактивных составляющих параметра датчиков в диэлектрических средах, либо непосредственно с второго выхода генератора при измерении активных составляющих в проводящих, полупроводящих средах.

Усилитель 12 совместно с датчиками 7, 8 и ключами 5 и 9, 6 и 10 образуют измерительный преобразователь величин G и С в напряжении, где G - активная проводимость датчика, С - емкость датчика. В цепь от- рицательной обратной связи усилителя 12 включен образцовый резистор. В качестве усилителя 12 можно исползовать любой прецизионный операционный усилитель.

Фазовый детектор 13 предназначен дпя преобразования величины сдвига фазы и амплитуды информационного сигнала по отношению к опорному сигналу в постоянное напряжение. Реализация временного принципа разделения двух измерительных каналов устройства привела к необходимости использования интегратора в фазовом .

детекторе с высокой скоростью нарастания сигнала и обнулением в конце цикла интегрирования. В качестве фазового детектора 13 могут применяться фазовые детекторы с .амплитудными ограничителями или на переключателях с обнуляющимся интегратором, вьшол- ненные на прецизионных операционных усилителях по известным схемам.

Блок 14 представляет собой схему выборки и хранения, предназначенную для периодической выборки и хранения величины выходного напряжения фазового детектора 13, соответствующего измеряе0

5

0

5

схеме выборки и хранения, поступающий из одного измерительного канала, формируется блоком 4. В качестве блока 14 можно использовать устройство выборки и хранения в интегральном исполнении.

Сумматор 15 служит для одновременного сравнения двух информационных сигналов, соответствующих мгновенным значениям измеряемых параметров датчиков 7 и 8. Выходной сигнал сумматора 15 представляет собой разностную дискретную функцию изменения параметров датчиков 7 и В друг относительно друга. В качестве сумматора 15 можно использовать сумматор, выполненный по схеме дифференциального усилителя на основе операционного 5 усилителя. Ключевые элементы необходимы для одновременной подачи информационных сигналов двух измерительных каналов на вход дифференциального усилителя.

Фильтр 16 нижних частот предназначен для вьщеления и формирования низкочастотного информационного сигнала. Постоянная времени фильтра выбирается такой, чтобы усреднить величину импульсного сигнала, поступающего с выхода сумматора 15, т.е. чтобы преобразовать дискретный сигнал в непрерывный. -Фильтр 16 может быть, например, фильтром Чебьшева шестого порядка с неравномерностью в полосе пропускания 3 дБ и вьшолнен- ный на основе операцр онного усилителя.

Дифференцирующий элемент 17 фор- 5 мирует сигнал, представляющий собой производную от функции изменения параметра датчиков 7 и 8. Постоянная времени дифференцирующего элемента должна быть порядка времени прохож0

0

51

дения объекта между парами электродо датчиков 7 и 8. В качестве элемента 17 может использоваться дифференциатор на основе операционного усилителя,

Компаратор 18 предназначен для формирования сигнала постоянной амплитуды, знак которого определяется знаком фазы продифференцированного низкочастотного информационного сигнала.

Регистратор 19 предназначен для индикации результата счета импульсов поступающих с выхода компаратора 18.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 1 вырабатывает два гармонических сигнала с постоянным фазовым сдвигом (90 ) друг относительно друга. В зависимости от харак тера измеряемого параметра датчиков 7 и 8. (активная проводимость или реактивная емкость) через переключатель 2 на вход опорного сигнала фазового детектора 13 через ограничи- тель 11 подводится либо напряжение с нулевым фазовым сдвигом - измерени активных составляющих при контроле проводящих и полупроводящих средах, либо напряжение с фазовым сдвигом 1t/2 - измерение реактивных составляющих параметра при контроле в диэлектрических средах. С второго выхода . генератора 1 гармонический сигнал подается через ключи на датчики 7 и 8, а также на формирователь 3, который формирует сигнал в виде прямоугольных импульсов. Этот сигнал подается на вход блока 4, который после деления исходного сформированного сигнала вырабатывает сигналы, управляющие ключами 5 и 9, 6 и 10, таким образом реализуется принцип временного разделения в предлагаемом устройстве. При этом между электродами в каждом датчике 7 и 8 попеременно во времени образуются парал

лельные поля шторы, которые (в силу параллельности и протяженности электродных пар) близко расположены друг к другу. Токи через датчики образуются за счет того, что на выходе усилителя 12 потенциал близок к нулю (виртуальный нуль). В силу близости источников (электродных пар) оба электрических поля практически перекрывают одну и ту же контролируемую область. В результате токи, протекаю11Ц1е в каждой электродной паре, практич-зски равны друг другу (при отсутствии объектов). Следует заметить, что поЛе токов в различных средах имеет разный характер. Как известно, плотность тока в любой точке среды складывается из плотностей токов проводимости и электрического смещения

LT б ьГ + dE/dt,

где Е - напряженность электрического поля в рассматриваемой точке;

(j, - электропроводность (проводимость и диэлектрическая проницаемость среды, т.е. в проводящих и полупроводящих средах преобладают токи проводимости, а в диэлектрических - токи смещения на низких частотах).

Таким образом, возможность контроля объектов при использовании контактных электродных датчиков в полупроводящих и проводящих средах основывается на том, что G GO , а в диэлектрических средах fg , где G и - проводимость и диэлектрическая проницаемость материала объекта, G и ц - проводимость и проницаемость среды.

0 5 30

Дпя измерения проводимости и ем35 кости используется измерительный пр образовате,пь (датчики, датчиковые коммутаторы, усилитель с образцовым резистором в цепи ООС), в котором происходит сравнение тока через

40 включенный в данный момент времени датчик 7 или 8 с током через образцовый резистор, включенный в цепь отрицательной обратной связи усилителя 12. Выходное напряжение усилите45 ля 12 имеет фазу и амплитуду, зависящую от соотношения величин проводимости образцового резистора и емкости или проводимости датчика 7 или 8. Изменение фазы и амгшитуды сиг50 нала на выходе усилителя 12 по отношению к фазе и аМ Хпитуде сигнала с второго выхода генератора 1 преобразуётся фазовым детектором 13 в пропорциональный этому изменению сиг„ нал. Для увеличения точности измерений в фазовом детекторе необходимо применять интегратор с обнулением в конце каждого цикла измерения, для сравнения двух значений измеряемых параметров датчиков 7 и 8, полученных в разные моменты времени, используется элемент аналоговой па- ,мяти - блок 14, который периодически запоминает мгновенное значение параметра одногб из двух датчиков, например датчика 7. На сумматор 15 через ключевые элементы (не показаны) подается одновременно текущее значение выходного напряжения фазо- вого детектора 13 и предшествующее значение этого напряжения с выхода блока 14. На соответствующих входах сумматора 15 образуются дискретные функции изменения параметра датчиков 7 и 8, обусловленные влиянием объекта. На выходах сумматора 15 образуется дискретная разностная функция изменения параметров датчиков друг относительно друга. С помощью фильтра 16 нижних частот выделяется низкочастотный информационный сигнал изменения параметра одного /{атчика 7 по отношению к изме- нению второго датчика 8, который представляет собой непрерывную временную функцию.

При последовательном прохождении например, электропроводящим объекто плоскопараллельных полей между электродами в каждом датчике (направление движения объекта показано стрелкой), амплитуды фазы напряжений на выходе усилителя 12 для соответствующих электродных пар будут изменяться . В соответствии с изменением сигналов на электродах на выходах соответствующих измерительных каналов формируются сигналы об объектах. Оба сигнала после суммирования в сумматоре 15 и усреднения фильтром 16 нижних частот образуют разностный сигнал, который после компаратора 16 поступает на дифферецирующий элемент 18. Импульс счета формируется дифференцирующим элементом 18. Полярность импульса счета согласована с порядком прохождения объектом пар электродов, например в соответствии с направлением движения объекта (показано стрелкой) на выходе дифференцирующего элемента 18 вырабатывается отрицательный импульс

.счета. Аналогично, при прохождении объекта в обратном направлении по отношению к рассматриваемому случаю формируется поло кительный по знаку

импульс счёта..

78908 , 8

Если направленна движения объекта зафиксировано, например, по направлению стрелки, показанной на чертеже, а объект принимает другую природу 5 по электропроводности,, например

объект-диэлектрик, то на выходе формируется положительный импульс счета. Понятие проводящих, полупроводящих и диэлектрических объектов формиру- . ется относительно параметров среды, в которой осуществляется численный контроль объектов.

Ш

15 Формула изобретения

Устройство для учета движущихся объектов, содержащее генератор переменного напряжения, датчики, усшти- . таль, сумматор, фильтр нижних частот и последовательно соединенные компаратор, дш1)ференцирующий элемент и регистратор, отличающее-

с я тем, что, с целью расширения области применения устройства путем учета объектов движущихся как в то- копроводящих, так и в диэлектрических средах, в него введены переключатель, формирователь импульсов, программно-временной блок, ключи, ограничитель напряжения, фазовый детектор и блок аналоговой памяти, первый выход генератора переменного

напряжения соединен с первым входом переключателя и с входами формирова- . теля импульсов, первого и второго ключей, выходы которых через первый и второй датчики подключены соответственно к входам третьего и четвертого ключей, выходы которых через усилитель соединень с первым информационным входом фазового детектора, второй выход генератора переменного

напряжения подк,пючен к второму входу ; переключателя, выход которого через ограничитель напряжения соединен с вторым информационным входом фазового детектора, выход которого непосредственно и через блок аналоговой памяти подключен к информационным входам сумматора, выход которого через фильтр нижних частот соединен с входом компаратора, выход формирователя импульсов подключен к входу программно-временного блока, первый выход которого соединен с управляющими входами первого и третьего ключей, а второй - с управляющими

9127890810

входами второго и четвертого ключей, чены соответствелно к управлякнцим третий, четвертый и пятый выходы входам фазового детектора, блока ана- программно-временного блока подклю- логовой памяти и сумматора.

Изобретение относится к средствам неразрушающего контроля, основанным на использовании свойств физических полей. Устройство обеспечивает учет объектов,-движущихся как в диэлектрических, так и в токопро- водящих средах. Устройство содержит генератор переменного напряжения, форг-шрователь импульсов, программно- временной блок, управляющий ключами, которые подключают последовательно один из датчиков. Обработка сигналов с датчиков осуществляется в тракте из последовательно соединенных усилителя, фазового детектора, блока аналоговой памяти, сумматора,фильтра; низших.частот, компаратора, дифференцирующего элемента и регистратора. Переключение режимов для { азличных сред осуществляется переключателем. При этом на ограничитель напряжения, формирующий опорный сигнал для фазового детектора, в зависимости от режима поступает переменное напряжение с необходимой фазой. 1 ил. С S (Л

Редактор Г.Волкова

Составитель Г.Усачев

Техред Л.Сердюкова Корректор М.Демчик

Заказ 6842/50Тираж 671. Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4