Фазогенераторный измеритель магнитной восприимчивости Советский патент 1988 года по МПК G01R33/12 

4 N5

О

сл

05 4

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения магнитных свойств веществ, а также широкого класса неэлектрических величин, которые могут быть преобразованы индуктивными датчиками.

Цель изобретения - повышение чувствительности преобразователя путем повышения добротности контуров генераторов, увеличения диапазона расстройки контуров, при котором еще сохраняется синхронизм генераторов.

На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - алгоритм работы блока управления; на фиг. 3 - принципиальная схема устройства; на фиг. 4 - характеристика преобразователя; на фиг. 5 - функциональная схема блока управления.

Устройство содержит первый генератор 1, имеюший вход управления частотой и коммутирующий вход, в контур которого включен индуктивный датчик 2, второй генератор 3, нелинейный элемент 4 связи, имеющий первый и второй сигнальные входы и вход управления, конвертор 5 отрицательного импеданса, имеюш.ий управляющий вход и включенный в контур генератора , конвертор 6 отрицательного импеданса, также имеюший вход управления и включенный в контур генератора 3, преобразователь 7 разности фаз в длительности импульса, блок 8 управления и регистратор 9. Первый генератор 1 содержит (фиг. 3) усилительный элемент 10 .с цепями задания режима и колебательным контуром, которые образованы четырьмя параллельными ветвями, первая из которых состоит из последовательно соединенных индуктивного датчика 2, эталонной катушки 11 индуктивности, параллельно которой подключены нормально замкнутые контакты 12 реле 13, и первичной обмотки трансформатора 14 связи. Вторая ветвь состоит из последовательно соединенных конденсатора 15 и варикапа 16. Третья ветвь представляет собой входное с опротивление конвертора 5. Четвертая ветвь содержит последовательно соединенные конденсаторы 17 и 18. Второй генератор содержит усилительный элемент 19 с цепями задания режима и колебательным контуром, которые образованы тремя параллельными ветвями. Первая ветвь содержит последовательно соединенные индуктивность 20 и первичную обмотку трансформатора 21 связи, вторая ветвь представляет собой входное сопротивление конвертора 6, третья ветвь содержит последовательно соединенные конденсаторы 22 и 23. Нелинейный элемент 4 включен между выводами обмоток вторичных трансформаторов 14 и 21 связи и содержит нелинейные элементы 24 и элементы 25 управления.

Вход управления частотой и коммутирующий вход первого генератора 1 связаны со

5

0

5

0

5

0

ответственно с аналоговым и коммутирующим выходами блока 8, а выход первого генератора 1 связан с первым сигнальным входом нелинейного элемента 4 и первым информационным входом блока 8. Выход второго элемента 2 связан с вторым информационным входом блока 8 и вторым сигнальным входом элемента 4. Управляющий вход конвертора 5 связан с первым управляющим выходом, а управляющий вход конвертора 6 - с вторым управляющим выходом блока 8, третий управляющий выход которого связан с управляющим входом нелинейного элемента 4. Входы преобразователя 7 разности фаз в длительность импульса связаны с выходами первого и второго генераторов 1 и 2, а его выход связан с информационным входом блока 8. Генератор 1 выполнен по схеме с емкостной обратной связью через конденсаторы 17 и 18. Их емкости вместе с емкостью конденсатора 15 и варикапа 16, индуктивностью датчика 2 и первичной обмотки трансформатора 14 определяют частоту генерации. Катод варикапа 16 является входом управления частотой генератора 1. Управляемый конвертор 5 включен в контур для частичной компенсации его активной проводимости. Вызванное этим повышение добротности контура позволяет на порядок повысить чувствительность схемы. Реле 13 контактами позволяет подключать эталонную катушку индуктивности 11 и тем самым вносить в контур заранее известную расстройку, проводят калибровку устройства. Схема генератора 3 аналогична схеме генератора 1 за исключением того, что в ней отсутствуют цепи управления частотой и калибровки. Связь между генераторами 1 и 2, вызывающая их взаимную синхронизацию, осуществляется с помощью трансформаторов 14 и 21 через нелинейные элементы 24. Из анализа работы связанных генераторов следует, что чувствительность такой схемы определяется выражением

к - const;

(i;

где Q

добротность колебательных контуров первого и второго генераторов ();

- активная проводимость контуров первого и второго генераторов; gc - проводимость элемента связи. При этом с повышением чувствительности происходит сужение полосы захвата генераторов. Введение нелинейного элемента позволяет сохранить высокую чувствительность при малых расстройках контура, сохраняя удовлетворительную полосу захватывания. Если в качестве нелинейного элемента 24 используются встречно-параллельно включенные диоды, переходная характеристика преобразователя имеет вид (фиг. 4а) Однако при этом характеристика остается линейной в очень узком диапазоне расстроек. Введение эле.мента 25 в виде управляемого активного сопротивления, включенного параллельно имею1;;емуся нелинейному элементу 4, позволяет получать различную крутизну преобразования (фиг. 46).

Цифровой вычислительный блок (фиг. 5) содержит входные счетчики 26-28, буффер- ные входные регистры 29-31, центральный процессорный элемент 32, оперативное 33 и постоянное 34 запоминающие блоки, синхронизатор 35, управляющий дешифратор 36, выходные буфферные регистры 37-43, циф- роаналоговые преобразователи 44-47, ключевой усилитель 48. Центральный процессорный элемент 32 организует работу всего устройства в соответствии с алгоритмом, приведенным на фиг. 2, по програ.мме, которая находится в блоке 34. Блок 33 используется как для организации вычпслсч. ня значений магнитной восприимчивости х, так я для наконления этих значений при усреднении результатов измерений. Входные регистры 29-31 предназначены для фиксации кодов счетчиков при измерении частоты колебаний генераторов 1 и 2 и сдвига фаз между ними. Выходные буферные регистры 37 - 39 предназначены для хранения текущих значений управляющих сигналов, которые преобразуются в аналоговую фор.му цифроана- логовыми преобразователями 44-46, выходы которых являются соответственно первым, вторы.м и третьим управляющилш выходами блока 8. Как показано на фиг. 3, унравляемый резистор 49 элемента 25 оптически связан с излучающим диодом 50,

Устройство и.меет два режима работы «Подготовка и «Измерение. Р ежи.м «Подготовка выполняется в .два этапа: «Установка нуля и «Калибровка (фиг. 2). При нажатии «Подготовка блоком 8 выполняется следующая последовательность действий: частота генератора 1 сигна/юл;, подаваемыл на его аналоговый вход управ- . юния, подстраивается до тех нор, пока не в ы I i ол н я юте я VC л о в и я:

где/: - частота генератора 1;

/;; частота генератора 2;

7. - сдвиг фаз .между напряжениями на контурах генераторов 1 и 2.

Условие (2) начинает выполняться с то- о момента, когда 1 енераторы входят в полосу захвата, дальнейшая подстройка ведется до выг. олнения условия (3), которое свидетельствует о том, что расстройка контуров генераторов i и 2 относительно частоты генерац /;i-, в полосе захвата равна нулю ; , пределах выбранной точности измерен Я Ус,и дствие того, что полоса

5

захвата (или взаимной синхронизации) генераторов 1 и 2 нропорциональна нрово- димости элемента 4, нроцесс установки нуля начинается при таком сигнале на входе управления нелинейного элемента 4, которому соответствует макснмальная его прово- ди.мость. После того, как вынолнены условия (2) и (3), на третьем управляюн1ем выходе блока 8 формируется меняющийся во времени сигнал, по которому нроводимость

эле.мента 4 изменяется от млко до , что, согласно фиг. 46. означает возрастание чувствительности преобразователя от до . При этом постоянно проверяется выполнение условий (2) и (3), нарущение которых является д,1Я блока 8 сигналом о необходимости более точной подстройкн частоты генератора 1. По достижении значения нроводн:пости элемента 4 величины омиь этап установки нуля считается законченным и устройство переходит к после0 довательностн де.чствий но калиб|1овке преобразователя.

По сигна; ;у с коммутирующего блока 8 на ком.мутирующий вход генератора 1 срабатывает реле 13. размыкаются его контакты 12 и в ко.пебательный контур е:-1е)атора I оказывается вк. ноченной донс1.. индуктивность II, ве- лнчн.ча которой известна. Введенная таким образом расстройка нрнвсХ игг к с.дйнгу фаз между напряже1щя.М11 на кон0 турах. который нреоб| :1азуется нр.еоб- разователем 7 в длительность имнульса н подается на цифровой вход б.юка 8, который нреобраз -ет ее в цифровой код . Этот код сравнивается с записанным в памяти б. юка 8 кодом и, если

5 //« // / /Gi //: блок 8 подстраивает величину внесенного в коьггуры генераторов 1 н 2 отрицательного сонроти вления конверторов 5 и 6. Корректировка ч вствите;1ьности преобразователя производится до тех пор. пока ПС выгю.чняется условне /, //a i// - lloc. ie это1 0 с1 И.ается сигна. с ком.мути- рующего входа renepaToiia 1, индуктивность II блокируется контакта.ми 12 н устройство готово к H3Mepei4ino. Сигналом I OTOBHOCTM слчжнт появление ну.1ей на регистраторе 9.

5

1 ежпм 1 Ниц1Н р т - я нажатиe i кнопки «Пзмерение. Работа устройства в это.м режиме аналогична режиму «Калибровка с той .пинь разнице, что расстройка контура )атора 1 вызывается

0 изменением инд) ктивности датчика 2. Повы- ojeHne метро. югических характеристик устройства достигается тем. что блок 8, выполненный с ipHN .efienHe.x л икронро 1ессо- ра, позволяет осуществ.1ять ги .фроьое ус})ед- нение результатов ,1сренпй как но 1)дному

5 образцу д.:1я различного его положения, так и д. ряда однородных образцов. Введение конверто|1()в снособст| ует новьнне- нию м -иств1 те. ьности преобразователя, но: воляет управлять его параметрами. Аналогичной цели служит управляемый нелинейный элемент связи генераторов.

Формула изобретения

Фазогенераторный измеритель магнитной восприимчивости, содержащий регистратор, первый генератор, в контур которого включен индуктивный датчик, второй генератор, а также нелинейный элемент связи и преобразователь разности фаз, объединенные входы которых соединены с соответствующими выходами генераторов, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, он снабжен двумя конверторами отрицательного импеданса и блоком управления, при этом конверторы отрицательного

импеданса включены в контуры соответствующих генераторов, вход управления и коммутирующий вход первого генератора соединены соответственно с аналоговым и

коммутирующим выходами блока управления, первый и второй управляющие выходы которого соединены с входами управления соответствующих конверторов отрицательного импеданса, выход преобразователя разности фаз соединен с первым информационным входом блока управления, а выходы генераторов соединены соответственно с вторым и третьим информационными входами блока управления, третий управляющий выход и информационный выход которого соединены соответственно с входом управления нелинейного элемента и входом регистратора.

Изобретение относится к измерительной технике резонансных фазогенераторов и может быть использовано для измерения магнитных свойств веществ. Цель изобретения - повышение чувствительности преобразователя за счет увеличения диапазона расстройки контура, при котором еще сохраняется синхронизм генераторов, а также повышение производительности измерений. Расстройка, вносимая индуктивным датчиком в контур одного из двух связанных взаимосинхронизированных генераторов, приводит к фазовому сдвигу между напряжениями на этих контурах, который фиксируется в цифровом вычислительном блоке и служит исходной величиной для расчета магнитной восприимчивости. Повышение добротности колебательных контуров генераторов с помощью управляемых конверторов отрицательного импеданса, автоматическая подстройка резонансных частот этих контуров и управляемая связь между генераторами позволяют повысить информационные характеристики измерителя. 5 ил. I (Л

Фиг,1

ю

V

W/3./ Я 7Л7/г Ct .J

25r

17

15

-R

73

У8

/5

1Э

22

3

Ш-R

23

/4

Фиг.З