Малогабаритный цифровой твердомер Советский патент 1987 года по МПК G01N3/48 

1

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к методам электроакустического контроля твердости материалов.

Цель изобретения - повьшение точности за счет исключения погрешностей преобразователя частота - ток и стрелочного индикатора.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства; на фиг.2 - эпюры напряжений в различных точках электронной схемы; на фиг.З - зависимость между частотой нагруженного преобразователя и соответствующим ей значением твердости.

Малогабаритный цифровой твердомер содержит магнитострикционный стержень 1 с жестко закрепленным инденто- ром 2 на одном конце и инерционной массой 3 на другом, калиброванную - пружину 4, взаимодействующую с корпусом 5 и инерционной массой 3, последовательно соединенные пьезоэлектрический датчик 6 и выполненный антило- гарифмическим усилитель 7, выход которого подключен к катушке 8 возбуждения стержня, четыре логичес кие схемы 2И 9-12, логическую схему ЗИ 13, логическую схему NH 14, логическую схему 15 НЕ, первую и вторую логические 16 и 17 схемы 2ИЛИ, логическую схему ЗИЛИ 18, счетный триггер 19, четыре RS-триггера 20-23, девять од- новибраторов 24-32, двоично-десятичный счетчик 33, делитель 34 частоты, блок 35 формирования сигнала начальной установки, блок 36 формирования кода записи, блок 37 формирования кода записи делителя, блок 38 цифровой индикации, первый и второй К-контакт- ные переключатели 39 и 40 и кварцевый генератор 41, выход которого соединен с первым входом первой схемы 2И 9, выход которой подключен ко второму входу первой схемы 2ИЛИ 16, выход ко торой подключен к счетному входу двоично-десятичного счетчика 33, разрядные выходы которого подключены к входу блока 38 индикации, а также к N-1 входам схемы Ш 14, N-й вход которой соединен с третьим входом схемы ЗИ 13, первым входом второй схемы 2И 10 и прямым выходом первого RS триггера 20, выход схемы Ш 14 соединен с S- входом второго RS-триггера 21, прямой выход которого подключен к входам первого и второго .одновибраторов 24 и 25, инверсный выход первого од

10

15

20 25597162

новибратора 24 подключен к входу третьего одноБибратора 26, а прямой выход второго одновибратора 25 - к Rс входу первого RS-триггера 20, прямой выход третьего одновибратора 26 соединен с разрядными входами записи кода двоично-десятичного счетчика 33 и с S-входом третьего RS-триггера 22, прямой выход которого подключен к первому входу третьей схемы 2И 11, а инверсный - к входу четвертого од- новибратора 27, прямой выход которого соединен с управляющим входом блока 38 индикации, а инверсный - с входом пятого одновибратора 28, прямой выход которого подключен к первым . входам схемы ЗИЛИ 18 и второй схемы 2ИЛИ 17, выход которой соединен с S- входом первого RS-триггера 20, выход блока 35 формирования сигнала начальной установки подключен к вторым входам второй схемы 2ИЛИ 17 и схемы ЗИЛИ 18, выход которой соединен с разрядными входами установки нулевого состояния двоично-десятичного счетчика 33, разрядные входы записываемого кода которого подключены к соответствующим выходам блока 36 формирования кода записи счетчика, входы которого соединены с контактами первого К-контактного переключателя 39, контакты второго К-контактного переключателя 40 соединеньГ с входами блока 37 формирования кода записи делителя, выходы которого подключены к разрядным входам записываемого кода делителя, выход которого соединен с входом шестого одновибратора 29, вы-40 ход которого подключен к второму входу третьей схемы 2И 11, разрядным входам записи кода деиителя 34 частоты, входам счетного триггера 19 и седьмого одновибратора 30, прямой

45 выход которого подключен к первому входу схемь ЗИ 13, а инверсный - к входу восьмого одновибратора 31, прямой выход которого соединен с вторым входом второй схемы 2И 10, выход

50 которого подключен к третьему входу схемы ЗИЛИ 18 и R-входу второго RS- триггера 21, выход усилителя 7 соединен с вторым входом схемы ЗИ 13 и входом делителя 34 частоты, прямой

55 выход счетного триггера 19 подключен к второму входу четвертой схемы 2И 12, первый вход которой соединен с прямым выходом четвертого RS-триггера 23, выход четвертой схемы 2И 12

30

35

подключен к второму входу первой схемы 2И 9 и входу схемы НЕ 15, выход которой подключен к входу девятого одновибратора 32, прямой выход кото- рого соединен с R-входами третьего 22 и четвертого 23 RS- триггеров, а S-вход четвертого триггера 23 соединен с выходом третьей схемы 2И 11.

Твердомер работает следующим обра зом.

Магнитострикционный стержень 1 с жестко закрепленным индентором 2 на одном конце и инерционной массой 3 на другом, пьезоэлектрический датчик 6, укрепленный на стержне 1 вблизи пучности его напряженного состояния и последовательно соединенный с усилителем 7, выход которого подключен к катушке 8, составляют преобразова- тель твердомера, являющийся резонансной колебательной системой.

При подаче электрического питания в контуре, охваченном положительной обратной связью (через катушку 8), возникают свободные колебания частотой F (фиг.2, эпюры Ь). Одновременно с подачей питания кварцевый генератор 41 начинает генерировать импульсную последовательность частотой F (эпюра 0), блок 35 формирования сигнала начальной установки (реализуемый, например, на основе RC-цепоч ки с последующими каскадами формирователей импульса) формирует одиноч- ный положительный импульс, устанавливающий счетчик 33 в нулевое состояни через схему ЗИЛИ 18 и через схему 2ИЛИ 17, триггер 20 по S-входу - в единичное состояние (эпюра о). Еди- ничный потенциал (уровень) с прямого выхода триггера 20 разрешает прохождение сигналов через схемы ЗИ 13, 2И 10 и Ш 14. Импульсы с выхода усилителя 7 преобразователя частотой F(.j поступают на второй вход схемы ЗИ 13 и вход делителя 34 частоты, по фронту импульса с выхода которого одновибратором 29 формируется короткий единичный импульс. Этим им- пульсом перебрасывается счетный триггер 19 (эпюра 1), записывается код числа с выхода блока 37 формирования кода записи, определяемый положением переключателя 40; запускается одно- вибратор 30, формируюшдй временные ворота дискриминатора частоты преобразователя (эпюра С). В течение времени, определяемого длительностью

положительного импульса с прямого выхода одновибратора 30, импульсы с выхода усилителя 7 поступают через схему 2ИЛИ 16 на вход счетчика 33 (эпюра d).

В работе дискриминатора частоты могут участвовать первые несколько или все разряды двоично-десятичного счетчика 33 в зависимости от его информационной емкости.

Порог дискриминатора частоты выбирается несколько вьшге частоты F , т.е. соотношение длительности ворот диск риминатора и емкости части счетчика 33, участвующей в работе дискриминатора частоты, устанавливается таким, чтобы фиксировать увеличение частоты преобразователя. Количество входов схемы ЫИ 14 выбирается в зависимости от количества участвующих в работе дискриминатора частоты разрядов счетчика 33. При поступлении на вход двоично-десятичного счетчика 33 импульсов с частотой F, дискриминатор не срабатывает, а по срезу им- пульса с инверсного выхода одновибратора 30 формируется одновибратором 31 короткий единичный импульс (эпюра 1), который, пройдя через схемы 2И 10 и ЗИЛИ 18, устанавливает двоично-десятичный счетчик 33 в нулевое состояние.

Во время контакта индентора 2 преобразователя с испытуемой поверхностью резонансная частота преобразователя увеличивается, что фиксируется дискриминатором частоты, т.е. на выходе схемы Ш 14 (эпюра f) появляется положительный импульс, устанавливающий триггер. 21 в единичное сое-, тояние (эпюра g). Фронтом этого импульса запускаются одновибраторы 24 и 25, которые формируют короткий единичный импульс, сбрасывающий триггер 20 в нулевое состояние (эпюра а), и этот низкий потенциал запрещает работу дискриминатора частоты.

В то же время одновибратором 24 формируется импульс (эпюра h), длительность которого определяет интервал времени t, - t, , в течение которого происходит внедрение индентора в испытуемую поверхность. По окончании времени внедрения одновибратором 26 (по срезу импульса с инверсного вы5{оДа-одновибратора 24) формируется короткий единичный импульс, перебрасывающий триггер 22 по S-входу в еди513

ничное состояние (эпюра К) и производящий запись кода с выхода блока 36 формирования кода записи в двоично-десятичный счетчик 33. Код. на вы- ходе блока 36 определяется положением переключателя 39.

После поступления единичного (раз решающего) потенциала на первый вход схемы 2И I1 разрешается прохождение импульса с выхода одновибратора 29 на вход триггера 23 (эпюра М), на выходе которого появляется высокий потенциал, поступающий на первый вход схемы 2И 12. Положительный импульс с выхода счетного триггера . (эпюра 1) проходит в этом случае через схему 2И 2 на входы схемы НЕ 15 и схемы 2И 9 (эпюра п), Тем самым

в течение интервала

Ч t, происходит заполнение счетчика 33 (через ,- схему 2ИЛИ 16 импульсами с генератора 41 (эпюра р ). После переброса счетного триггера в нулевое состояние запрещается прохождение импульсов с генератора 41 на вход счетчика 33, а одновибратором 32 триггеры 22 и 23 сбрасываются в нулевое сЬстоя- ние. Фронтом импульса с инверсного выхода триггера 22 запускается одно- вибратор 27, определяющий время индикации показаний счетчика 33 блоком .38 цифровой индикации (фиг.2, эпюра г, интервал t ,, - t) .

По окончании времени индикации коротким импульсом с одновибратора 28 через схему 2}ШИ 17 триггер 20 ус танайливается в единичное состояние и прибор готов к новому циклу измерения. Выбор и расчет основных блоков прибора производят следующим образом

Соотнощение между частотами генератора и преобразователя, разрядностями делителя и счетчика устанавливают следующей формулой:

ли

де

1г

Fnp Fr

F,

КАN

(К -В) - А N,

-пр

пр

Fr - 1/Т„р (1)

(2)

частота кварцевого генератора; частота преобразователя в нагруженном состоянии;

полный общий коэффициент делителя частоты;

0

5

в

Кд - реальный коэффициент

делителя частоты; , А - постоянная счетчика, код которой предварительно записывается в счетчик;

В - постоянная делителя, код которой предварительно записывается в делитель;

N - значение твердости в той или иной системе. Формулы (1) и (2) дают определенное значение твердости при бесконечно большом количестве значений Кд

17

и А (при выбранном отношении -) .

пр

20 ДЯя однозначного определения зна чений величин К« и А решают следую-г И

щую систему уравнений:

5

РЛ

FO

IL. f.i

IL.

р.г

К, - А N,;

(3)

Кд- А

N,

0

лр.

rip.i

5

0

5

0

5

где Г„р - частота преобразователя на образце твердостью N,; - частота преобразователя на образце твердостью При этом, как видно из уравнений (3), соотношение между частотой наг- руженного преобразователя и значением твердости имеет обратную зависимость, т.е. большему значению твердости соответствует меньшая частота преобразователя и наоборот.

На фиг.З приведена графическая интерпретация системы уравнений (3) . Наклон прямой определяется коэффициентом Кд делителя, а постоянная А определяет величину параллельного смещения прямой по оси ординат. Используя зто свойство системы уравнений (3), можно, задавая различные .числа (их коды) на входы записи счетчика и делителя, производить корректировку и настройку твердомера по образцам различных материалов с помощью блоков 36 и 37, управляемых переключателями 39 и 40 соответственно.

Преимуществами предлагаемого устройства по сравнению с известными является более высокая точность измерений, обусловленная исключением преобразователя частота - ток и аналогового индикатора, малое потребление

10

15

20

25

113597

энергии ввиду индикации результата после проведения замера.

Формула изобретения

1. Малогабаритный цифровой твердо- 5 мер, содержащий магнитострикционный

стержень с жестко закрепленными ин- дентором на одном конце и инерцион- ной массой на другом, калиброванную пружину для взаимодействия с корпусом и инерционной массой, последовательно соединенные пьезоэлектрический датчик и усилитель, выход которого подключен к катушке возбудителя стержня, отлич ающийся тем, что, с целью повьшения точности, он снабжен четырьмя логическими схемами 2И, логической схемой ЗИ, логической схемой Ш, логической схемой НЕ, двумя логическими схемами 2ИЛИ, логической схемой ЗИЛИ, счетным триггером, четырьмя RS-триггерами, девятью одновибраторами, двоично- десятичным счетчиком, делителем частоты-, блоком формирования сигнала начальной установки, блоком формирования кода записи счетчика и блоком формирования кода записи делителя, блоком цифровой индикации, двумя переключателями и кварцевым генератором, выход которого соединен с первым входом первой логической схемы 2И, выход которой подключен к второму входу первой логической схемы 2ИЛИ, выход которой подключен к счет- 35 ному входу двоично-десятичного счетчика, разрядные выходы которого подключены к входу блока индикации, а также к N-1 входам логической схемы Ш, N-й вход которой соединен с третьим входом логической схемы ЗИ, с первым входом второй логической схемы 2И и с прямым выходом первого RS- триггера, выход логической схемы Ш соединен с S-входом второго RS-триг- гера, прямой выход которого подключен к входам первого и второго одно- вибраторов, инверсный выход первого одновибратора подключен к входу

О.

третьего одновибратора, а прямой выход второго - к R-входу первого RS- триггера, прямой выход третьего одно- вибратора соединен с разрядными входами записи кода двоично-десятичного счетчика и с S-входом третьего RS- триггера, прямой выход которого под- ключен к первому входу третьей логической схемы 2И, а инверсный - к входу четвертого одновибратора, прямой

30

40

45

50

55

8

10

15

0

25

5

5

0

0

5

0

5

выход которого соединен с управляющим входом блока индикации, а инверсный - с входом пятого одновибратора, прямой выход которого подключен к первым входам логической схемы ЗИЛИ и второй логической схемы 2ИЛ11, выход которой соединен с S-входом первого RS-триггера, выход блока формирования сигнала начальной установки подключен к вторым входам второй логической схемы 2Ш1И и логической схемы ЗИЛИ, выход которой соединен с разрядными входами установки нулевого состояния двоично-десятичного счетчика, разрядные входы записываемого кода которого подключены к со- ответствующикг выходам блока формирования кода записи счетчика, входы которого соединены с контактами первого переключателя, контакты второго переключателя соединены с входами блока формирования кода записи делителя, выходы которого подключены к разрядным входам записи кода двоично- десятичного делителя, выход которого соединен с входом шестого одновибратора, выход которого подключен к второму .входу третьей логической схемы 2И, к разрядным входам записи кода двоично-десятичного делителя, к входам счетного триггера и седьмого одновибратора, прямой выход которого подключен к первому входу логической

схемы ЗИ, а инверсный - к входу восьмого одновибратора, прямой выход которого соединен с вторым входом второй логической схемы 2И, выход которой подключен к третьему входу логи- . ческой схемы ЗИЛИ и R-входу второго RS-триггера, выход усилителя соединен с вторьм входом логической схемы ЗИ и входом делителя частоты, прямой выход счетного триггера подключен к второму входу четвертой логической

схемы 2И, первый вход которой соединен с прямым выходом четвертого RS- , триггера, выход четвертой логической схемы 2И подключен к второму входу первой логической схемы 2И и входу логической схемы НЕ, выход которой подключен к входу девятого одновибратора, прямой выход которого соединен с R-входами третьего и четвертого RS- триггеров, а S-вход четвертого триггера соединен с выходом третьей схемы 2И.

2.- Твердомер по п,1, отличающийся тем, что усилитель антилогарифмический.

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к методам электроакустического контроля твердости материалов. Цель изобретения повышение точности за счет исключения погрешностей преобразования и индикации. Сигнал с пьезоэлектрического датчика 6, несущий информацию о твердости материалов, через выполненный антилогарифмическим усилитель 7 поступает на измерительную схему, где преобразуется в цифровую ферму. Частота преобразования задается кварцевым генератором 41, информация хранится в двоично-десятичном счетчике 33, связанном с блоком 35 формирования кода записи и блоком 38 индикации, время индикации которого определяется одновибратором 27. 1 з.п. ф-лы, 3 ил. с S (Л СА:) ел со о: (fjue.l