Устройство для контроля температуры внутренних слоев детали Советский патент 1987 года по МПК G01K7/36 

Изобретение относится к температурным измерениям и может быть использовано в информационно-измерительных системах, а также системах с контроля технологических процессов.

-Целью изобретения является повыение точности контроля температуры внутренних слоев детали.

На фиг.1 изображена структурная ю схема предлагаемого устройства для контроля температуры внутренних слов детали; на фиг.2 - структурная схема управляемого генератора.

Устройство содержит первый ана- 15 оговый коммутатор 1, управляемый генератор 2, дифференциальный уси-, литель 3, потенциометр 4, балластную катушку 5, детектирующую катуш- ку 6, второй аналоговый коммутатор 20 7, первый фазовый детектор 8, второй фазовый детектор 9, первый задатчик 10 фазы, второй задатчик 11 фазы, первый и второй блоки 12 и 13 вычитания, третий аналоговый коммутатор 25

14,четвертый аналоговый коммутатор

15,первый интегратор .16,. второй интегратор 17, масштабный усилитель 18, третий блок 19 вычитания, индикатор

20, источник 21 опорного напряжения, 30 генератор 22 тактовых импульсов,первый двухпозиционный ключ 23, второй двухпозиционньй ключ 24 и трехпози- ционный ключ 25.

Управляемый генератор (фиг.2) со- «ц стоит из преобразователя напряжение частота (ПНЧ) 26, компаратора 27, двоичного счетчика 28, .программируемого постоянного запоминающего устройства (ППЗУ) 29, цифроаналогового преобразователя (ДАЛ) 30. Вход компаратора 27 подключен к выходу ПНЧ 26, а выход (Соединен с входом счетчика 28, вькод которого подключен к входу ППЗУ 29, ЦДЛ 30 подключен к выходу ПИЗУ 29. ,

Устройство работает следующим образом.

Перед началом контроля температуры производят настройку первого канала. Ключ 23 устанавливается в положение И. Клич 25 устанавливается в положение Н, В данном положении аналоговые коммутаторы коммутируют элементы следукяцим обра зом: вход управляемого генератора 2 соединен с земляной щиной устройства; выход диффе- ренциального. усилителя 3 подключается к входу фазового детектора 8; выход ,

45

блока 12 вычитания соединяется с . входом интегратора 16. К выходу бло- ка 12 вычитания подсоединяется вольтметр (не показан). Так как напряже- ние на входе управляемого генератора равно нулю,.то управляемый генератор вырабатывает колебания первой начальной частоты /tJ . Значение la. определяется толщиной контролируемого слоя исследуемой дета- . ли. Это значение можно вычислить по формуле

0 5

0

ц Q

5

1н

(1)

6-/-«

где - удельная проводимость материала детали;

д - абсолютная магнитная проницаемость материала; 2 толщина контролируемого

слоя.

Причем 4, 3 J , где J - глубина проникновения электромагнитного поля в деталь. Сигнал напряжения с выхода фазового детектора 8, пропорциональный углу сдвига фаз между выходными сигналами управляемого генератора 2 и дифференциального усилителя 3, подается на первьй вход блока 12 вычитания. Настройкой задатчика 10 добиваются, чтобы напряжение на выходе блока 12 вычитания (показания вольтметра) было равно нулю. Сигнал с выхода задатчика 10 косвеннЬ фиксирует первый начальный угол сдвига фаз между сигналом управляемого генератора 2 с сигналом с выхода дифференциального усилителя 3 при начальной частоте и начальной температуре. Затем производится настройка второго канала Ключ 24 устанавливается в положение Н. Ключ 25 устанавливается в положение Н. В данном положении аналоговые коммутаторы коммутируют элементы следующим образом: вход управляемого генератора 2 соединяется с выходом фазового детектора 9; выход блока 13 вычитания соединяется с входом интегратора 17.ч К выходу блока 13 вычитания подключается вольтметр (не показан).

Так как напряжение на входе управляемого генератора 2 равно опорному, то управляемьй генератор 2 выра- батьтает колебания второй начальной частоты uij . Значение ы зависит от тех же величин, что и 1, Настройка второго канала осуществля8ь; г. 1й где К„ - коэффициент усиления масш К,.К.о,

(3)

10

табного усилителя 18. При смене напряжения на выходе ГТИ 22 начнет работать второй канал, при этом к входу интегратора 16 подключается нулевое напряжение, напряжение на его выходе во время работы второго канала не меняется. Второй канал работает аналогично пер вому каналу. Отношение частот

U)

2k

/ (д) пропорционально темпера гн

UBUX. п

(4)

ется аналогично настройке первого канала.

.В режиме измерения ключи 23, 24 и 25 устанавливаются в положение Р. В этом положении первый вход аналогового коммутатора 1 соединяется с выходом масштабного усилителя 18 а второй вход - с выходом интегратора 17.

Б зависимости от выходного напряжения генератора 22 тактовых импульсов (ГТИ) будет работать либо . первый, либо второй измерительный канал. Предположим работает первый из- 15 туре, усредненной по глубине слоя, мерительный канал. В этом случае ана- определяемого частотой ш . При логовый коммутатор 1 соединит управ- этом на выходе интегратора 17 будет ляющий вход управляемого генератора напряжение 2 с выходом масштабного усилителя.18; а.налоговый коммутатор 7 соединит.вы- 20 ход дифференциального усилителя 3с вторым входом фазового детектора 8, аналоговый коммутатор 14 подключит выход блока 12 вычитания к входу интегратора 16, аналоговый коммутатор

115 соединит вход интегратора 17 с земляной шиной.

Нагрев детали приводит к росту выходного напряжения фазового детектора 8. При этом на выходе блока 12 вычитания появляется сигнал, отлич- ный от нуля, напряжение на выходе

:интегратора 16 увеличивается, усиливается масштабным усилителем 18 и подается на вход управляемого генератора 2. Это приводит к росту частоты- выходных колебаний управляемого генератора 2. Увеличение частоты колебаний будет происходить до тех пор.

25

30

где К - коэффициент пропорциональности второго интегратора, равный коэффициенту пропорциональности первого интегратора.

Предположим, что величина отноше ния начальных частот удовлетворяет условию

t . л ..

(5)

U)1M

-Ks

О

1Н

35

Если деталь прогрелась полностью, т температура первого контролируемого слоя равна температуре второго контролируемого слоя, т.е.:

-14 W

Ыгк

1Н

W

(6)

2Н

ИЛИ

пока разность фаз между входными сигналами фазового детектора 8 не будет равна величине, зафиксированной в режиме настройки первого канала. При этом глубина проникновения электромагнитного поля в деталь будет равна начальной, а управляемый генератор будет генерировать сигнал с частотой io . Отношение частот ш, Wm пропорционально температуре, усредненной по глубине проникновения электромагнитного поля в деталь, причем глубина определяется

значением частоты

ио

1Н

На выходе

интегратора 16 будет напряжение

вмх.и 2)

где К - постоянный коэффициент, а на выходе усилителя 18 - напряжение:

. 1й где К„ - коэффициент усиления масш К,.К.о,

(3)

табного усилителя 18. При смене напряжения на выходе ГТИ 22 начнет работать второй канал, при этом к входу интегратора 16 подключается нулевое напряжение, напряжение на его выходе во время работы второго канала не меняется. Второй канал работает аналогично пер: вому каналу. Отношение частот

туре, усредненной по глубине слоя, определяемого частотой ш . При этом на выходе интегратора 17 будет напряжение

U)

2k

/ (д) пропорционально темпера гн

туре, усредненной по глубине слоя, определяемого частотой ш . При этом на выходе интегратора 17 будет напряжение

UBUX. п

(4)

усредненной по глубине слоя, еляемого частотой ш . При на выходе интегратора 17 будет жение

туре, усредненной по глубине слоя, определяемого частотой ш . При этом на выходе интегратора 17 будет напряжение

где К - коэффициент пропорциональности второго интегратора, равный коэффициенту пропорциональности первого интегратора.

Предположим, что величина отношения начальных частот удовлетворяет условию

t . л ..

(5)

U)1M

-Ks

О

1Н

Если деталь прогрелась полностью, то температура первого контролируемого слоя равна температуре второго контролируемого слоя, т.е.:

Ыгк

W

(6)

2Н

ИЛИ

г

1Н

Ы2К 1к

(7)

С учетом (5) последнее равенство можно записат.ь

45

SK (8)

Подставляя (8) в (4), получим

(9)

и

8(,1Х . -(7

К

Ку

При этом значение напряжения на выходе блока 18 вычитания будет определяться выражением

и

8ЫХ. 19

и

вЫХ . 18

-U8Mx.a- (10

В случае прогрева материала детали 31 и вь/х. 19 0. Таким образом, в момент прогрева стрелка индикатора 20 будет на нуле.

Устройство позволяет контролировать прогрев деталей любой формы, выполненйых из неферромагнитного материала. Расстояние между детектирующей катушкой и контролируемой деталью в процессе работы должно быть постоянным.

Нижний предел диапазона контролируемых температур практически неограничен, верхний предел - температура плавления контролируемой детали.

Толщина контролируемого слоя определяется первой начальной частотой, имеющей меньшее значение. Исходя из заданной толщины контролируемого слоя детали, значение первой начальной частоты может быть приблизительно вычислено по формуле (1).Вторая начальная частота вычисляется по

формуле )н

Величина К лежит в пределах 2-10. Диапазон рабочих частот управляемого генератора должен быть в пределах 20 Гц - 100 КГц. При более высоких частотах,начинают сказываться паразитные емкости, что снижает достоверность контроля. Более низкие частоты практически трудно реализуемы.

Период импульсов генератора 22 должен быть таким, чтобы за 1/2 периода, напряжения на выходах интегра- .торов 16 и 17 достигли своих установившихся значений.

Управляемый генератор 2 (фиг,2) работает следующим образом. В зависимости от напряжения, поступающего на вход ПНЧ 26, изменяется частота напряжения, имеющего тpevгoльнyю форму, на выходе ПНЧ 26, Сигнал напряжения треугольной формы преобразуется компаратором 27 в прямоугольные импульсы, которые подсчитываются двоичным счетчиком 28. При этом код на его выходе меняется с приходом каждого нового импульса. Выходной сигнал счетчика 28 является адресом ячейки ШТЗУ 29, в которое записаны отсчеты синусоиды, преобразуемые ЦАП 30 в аналоговый сигнал.

Формула изобретения

Устройство для контроля температуры внутренних слоев детали, содержащее детектирующую катушку, первый вывод которой соединен с земляной

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

шиной, а второй подключен к неинвертирующему входу дифференциального усилителя и к первому выводу балластной катушки, второй вывод которой соединен с выходом дифференциального усилителя и первым крайним выводом потенциометра отрицательной обратной связи, средний вывод которого соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя, а второй крайний вывод потенциометра соединен с выходом управляемого генератора и i первым входом первого фазового детектора, выход которого соединен с первым входом первого блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом первого задатчика фазы, первый интегратор, источник опорного, напряжения, и первый двухпозиционный ключ, отличающееся тем, что, с целью повьш1ения точности контроля температуры внутренних слоев детали, в него введены четыре аналоговых коммутатора, второй двухпо- зи ;Щонный ключ, трехпозиционный ключ генератор тактовых импульсов, второй фазовьш детектор, второй задат- чик фазы, второй и третий блоки вычитания, второй интегратор, индикатор и масштабный усилитель, вход которого подключен к выходу первого, интегратора, а выход соединен с первым входом второго блока вычитания и первым неподвижным контакто м первого двухпозиционного ключа, второй - неподвижный контакт которого соединен с землянрй шиной, а подвижный контакт подключен к первому входу первого аналогового коммутатора,выход которого соединен с управляющим входом управляемого генератора, а второй вход соединен с подвижным контактом второго двухпозиционного ключа, первый неподвижный контакт которого соединен с выходом источника опорного напряжения, а второй неподвижный контакт соединен с вторым входом второго блока вычитания и выходом второго интегратора, вход которого подключен, к выходу второго аналогового коммутатора, при этом выход дифференциального усилителя соединен с входом третьего аналогового коммутатора, первый выход которого соединен с вторым входом первого фазового детектора, а второй выход подключен к первому входу второго фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом управляемого генератора, а выход подключен к первому входу третьего блока вычитания, второй вход которого подключен к выходу второго эадатчика фазы, а выход подключен к первому входу второго аналогового коммутатора, второй вход которого соединен с земляной шиной.

а управляющий вход, соединенный с уп- ю мутатора первый вход которого соеди- равлякяцими входами первого, третьего i нен с выходом первого блока вычита- и четвертого аналоговых коммутаторов, ,ния, а выход подключен к входу пер- подключен к подвижному контакту трех- вого интегратора.

Редактор Ю.Середа

Составитель В.Куликов

Техред Л.Сердюкова Корректор О.Кравцова

Заказ 6390/28 Тираж 776Подписное

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

позиционного ключа, первый неподвижный контакт которого соединен с выходом источника питания, второй неподвижный контакт подключен к выходу генератора тактовых импульсов, .а третий неподвижный контакт подключен к земляной шине, соединенной с вторым входом четвертого аналогового комi

Фие.2

Изобретение может быть использовано в информационно-измерительных системах и системах контроля технологических процессов. Цель изобретения - повышение точности контроля температуры внутренних слоев детали. - Нагрев детали приводит к росту выходного напряжения детектора 8. На выходе блока 12 вычитания -появляется сигнал, отличный от О, напряжение на выходе интегратора 16 увеличивается, усиливается блоком 18 и подается на вход генератора 2, Происходит увеличение частоты колебаний последнего. Это происходит до тех пор, пока разность фаз между входными сигналами детектора 8 не будет равна величине ,зафиксированной в режиме настройки первого канала. Глубина проникновения электромагнитного поля в деталь будет равна началь- .ной, а генератор 2 будет генерировать сигнал с частотой, отношение которой к начальной частоте на выходе генератора 2 пропорционально температуре, усредненной по глубине проникновения электромагнитного поля в деталь. Устр ойство позволяет контролировать прогрев деталей из неферромагнитного материала. 2 ил. (С (Л О ГС CD О)