Электромагнитный интегрирующий толщиномер Советский патент 1988 года по МПК G01B7/06 

4 ю «

О5 СД

ымю

Изобретение относится к средствам измерения толишны и может быть использовано для толщинометрии крупногабаритных неферромагнитных,изделий, например оболочек,

Цель изобретения - повышение точности измерения и упрощение настройки толщиномера за счет использования в качестве органов настройки переменных резисторов и использования схемы автоматической подстройки частоты генератора в паузы между измерениями.

На фиг,1 изображена функциональная схема толщиномера} на фиг.2 - временные диаграммы сигналов в его цепях; На фиг.3 - функциональная схема схемы управления.

Толпцлномер содержит соединенные последовательно источник 1 ПОСТОЯННОго напряжения, резистор 2. обмотку 3 возбуждения и первый управляемый ключ 4, второй вывод которого соединен с вторьм выводом источника 1 постоянного напряжения, соединенные последовательно индукционный преобразователь 5, буферный усилитель 6, второй управляемый ключ 7, интегратор 8, компаратор 9 и схему 10 управления, первый и второй выходы которой соединены с управляющими входами соответ- ственно первого управляемого ключа 4 и второго управляемого ключа 7, третий ключ 11, подключенный к общей точке обмотки 3 возбуждения и резистора 2 и входу интегратора 8, клемму 12, предназначенную для подключения переменного напряжения, соединенные последовательно формирователь 13 импульсов и первый делитель 14 частоты выходы которого соединены соответст- венно с вторым и третьим входами схемы 10 .управления, соединенные последовательно генератор 15 с автоматической подстройкой частоты, схему 2И-НЕ 16, второй вход которой соеди- нен с третьим выходом схемы 10 управления и управляю цим входом третьего управляемого ключа 11, счетчик .17, второй вход которого соединен с четвертым выходом схемы 10 управления, и индикаторный регистр 18, первый вход которого соединен с пятым выходом схемы 10 управления,.дешифратор 19, входы которого соединены с выходами счетчика 17, (n-t-1) переменных резисторов 20,-20(n.i) , (п+1) управляемых ключей 21,21(f,+. , каждый из которых соединен последовательно с соответствующим переменным резисто5

0

j

Q 5 0 5 0

ром (rvi.,) образуя (п+1). цепочек, соединенных между собой параллельно, соединенные последовательно первый инвертор 22, вход которого соединен с шестым выходом схемы 10 управления и управляющим входом управляемого ключа 21, из первой цепочки, и схему 2И 23, второй вход которой соединен с первым входом дешифратора 19, а выход - с управляющим входом управляемого ключа 21, из второй цепочки.

Генератор 15 с автоматической подстройкой частоты выполнен в виде соединенных последовательно кварцевого генератора 24, второго делителя 25 частоты, фазочувствительного детектора 26, управляемого ключа 27, управляющий вход которого является входом генератора 15 с автоматической йодстройкой частоты и соединен с шестым выходом схемы 10 управления, регулятора 28 и перестраиваемого генератора 29. В частотозадающую цепь перестраиваемого генератора 29 включены цепочки из переменных резисторов 20,-20(и.., и управляемых ключей (п, . Выходы дешифратора 19 с второг; по п-й соединены соответст- венно с управляюш 1ми входами ключей (ц+41 .

Схема 10 управления выполнена в виде соединенных последовательно R-S- триггера 30, R-вход которого является первым входом схемы 10 управления, схемы И 31, выход которой является третьим выходом схемы 10 управления, и второго инвертора 32, выход которого является шестым выходом схемы 10 управления, третьего инвертора 33, вход которого является вторым входом схемы 10 управления, а выход соединен с вторым входом схемы И 31, соединенных последовательно четвертого инвертора 34, вход которого является третьим входом и первым выходом схемы 10 управления и соединен с S-входом триггера 30 и третьим входом схемы И 31, а выход является вторым выходом схемы 10 управления, и первой дифференцирующей цепи 35, выход которой является пятым выходом схемы 10 управления, второй дифференцирующей Tie- пи 36, вход которой соединен с входом третьего инвертора 34, а выход является четвертым выходом схемы 10 управления.

1А

Толщиномер работает следующим образом.

Обмотку 3 возбуждения и индукционный преобразоватедь 5 поля накдадыва- ют соосно на разные стороны объекта контроля (не показан). На клемму 12 подается напряжение U (например, от вторичной обмотки сидового трансформатора бдока питания тодщиномера) и на выходе формироватедя 13 импудь- сов возникает прямоугодьное надряже- ние U/j (€, мс) , поступающее на вход делитедя 14 частоты. Кодичество разрядов этого делитедя выбирается из следующего условия: подупериод прямоугольных импудьсов его последнего разряда должен быть, больше длительности переходных процессов в контуре тока i(t) источника 1 пос-

/тоянного напряжения и в контуре вихревых токов в неферромагнитном объек/те контроля.

Сигнал формируется из сетевого напряжения U-j путем дедения час- тоты и на два. Этот сигнал формируется в качестве промежуточного, из которого путем посдедующего деления частоты на два формируется сигнал и и Ug . Эти два сигнада поступают на выходы делитедя 14 частоты, откуда они поступают на второй и третий входы схемы 10 управления.

Схема 10 управления включает и выключает кдюч 4 сигналом Ugj- . В мо- мен-г совпадения сигнала Ugj; и сигнада . , поступающего на второй вход схемы И 31 через инвертор 33 с второго входа схемы 10 управления, на выходе схемы И и третьем выходе схе- мы 10 управления появляется 1 и начинается интервал о. Включается управляемый кдюч 11. Когда триггер 30 сигналом компаратора 9 переключится в о, интервад закончится и управляемый ключ 11 разомкнется. При включенном управляемом ключе 11 включены ключи 21, 27 и наоборот. При включенном управляемом ключе 4 включен управляемый кдюч 7 и наоборот, Дифференцированием переднего и заднего фронтов сигнала UgTc помощью дифференцирующих цепей 35 и 36 получают короткие импульсы U и U на четвертом и пятом выходах схемы 10 управления.

На фиг.2 покаяан случай, когда количество разрядов первого делителя 14 частоты равно трем и напряжения

и и,

с выходов его предпослед4Тс 8Тс него и последнего разрядов с периодаи следования 80 и 160 мс подаются на второй и третий входы схемы 10 управления. При указанных значениях периодов полупериод тока i(t) равен 80 мс, и при тодщине электропроводя щих включений 650 мм, которые могут располагаться в стенке контролируемого изделия, показания толщиномера не зависят от их наличия. Если мм, то количество разрядов первого делителя 14 частоты должно быть увеличено для сохранения указанного -выше условия.

На временных интервалах перехода тока i(t) от одного стационарного значения к другому в обмотке индукционного преобразователя наводятся импульсы ЭДС e(t,T K) ,(TX - значение измеряемой толщины), которые поступают на вход буферного усилителя 6, служащего для обеспечения режима холостого хода этой обмотки и получения низкого выходного сопротивления. Непосредственно перед моментом t выходное напряжение интегратора В Ug(t)0. В момент tg размыкается уп-. равляемый ключ 4 и замыкается управляемый ключ 7. Отрицательный импульс e(t,T) интегрируется интегратором 8, В момент «- 2 переходные процессы завершаются и Ue(t) становится неиэ- менным: Uc(t)--Uc (Т ) .

В момент t, размыкается управляемый ключ 7 и замыкается управляемый ключ 4, вновь возникает ток i(t). Так как вход интегратора 8 отключён, то его выходное напряжение не изменяется. К моменту tj замыкания управляемого ключа 11 ток i(t) становится постоянным и в зтот момент интегратор 8 начинает интегрировать положительное постоянное напряжение, снимаемое с рези стора 2.. Напряжение Ug(t) уменьшается по линейному закону до момента t, когда Ug(t)0, что вызывает срабатывание компаратора 9, воздействующего на первый вход схемы 10 управления так, что управляемый ключ 11 размыкается. Это состояние рассмотренной схемы остается неизенным до момента t, начала следуюего диалогичного цикла работы.

Интервал времени

t, rx(Tx)(p/R, (1) де М(Т) - козффициент взаимоиндукции между обмотками 3 и 5j

5 . 14 R - величина сопротивления

- резистора 2 (выходная величина преобразователя толщины Т в интервал времени С ) .

Благодаря тому; что время интегрирования е (t,T) кратно периоду С , обеспечивается высокая помехоэащита преобразования .

Преобразование следует из (1), является нелинейным и для линеаризации сквозной градуиро- вочной характеристики слулит остальная часть схемы. Линеаризация осуществляется методом кусочно-линейной аппроксимации. Для конкретного преобразователя толщины в интервал времени в заданном диапазоне измеряемых тол- ищн Тдд экспериментально получают градуировочную характеристику t( . Затем из условия § 6 S,( ) - реализуемая и заданная погрешность от нелинейности, соответственно разбивают диапазон Ст примыкае- мые интервалы.

На, вре.менных интервалах С дпц между соседними импульсами €,( ключи 21, и 27 замкнуты и совокупность функциональных узлов 20(, 21,, 24-29 и связей между ними образуют стандартную схему АПЧ, При этом замкнуто кольцо обратной связи с выхода перестраиваемого генератора 29 на второй вход фазочувствительного детектора 26. Работа АПЧ заключается в подаче на вход перестраиваемого генератора 29 такого напряжения, чтобы частота этого генератора была равна частоте на выходе второго делителя 25. При этом в частотозадающей цепи генератора 29 включен резистрр 20,.

Управление перестраиваемым генера- тором 29 При размыкании управляемых ключей 21, и 27 проис-ходит только путем изменения величины резисторов 20 - ,+, в его частотозадающей цепи, так как при этом напряжение на его входе оказывается неизменным, обеспечивающим устранение влияния изменения его параметров. Таким обра- зом, с помощью контура ЛПЧ происходит периодическая автоматическая калибровка перестраиваемого генератора 29 что позволяет повысить стабильность зтого генератора как устройства, за- дающего частоты, необходимые для работы толщиномера.

В момент t, импульс U с четвертого выхода схемы 10 управления уста

5

1

5

5

5 0 5

0

656

навливает счетчик 17 в состояние, соответствующее показанию Тц, и на первом выходе дешифратора 19 возникает сигнал 1 (1). В момент t перехода Uj от уровня 1 к уровню О на выходе инвертора 22 устанавливается уровень 1, что вызывает появление единицы на выходе схемы 2И 23. Таким образом, в этот момент ключи 21,, и 27- размыкаются, ключ 21 замыкается, цепь АПЧ размыкается, на выходе регулятора 28 сохраняется напряжение управления генератором 29. Вместо резистора 20, в частотозадаю- щий контур этого генератора включается резистор 202. Таким образом, в момент t выходная частота генератора 29 становится равной f,. Через схемы 2И-НЕ 16 на счетный вход счетчика 17 поступает последовательность.

импульсов с частотой следования f(. Путем изменения величины резистора 20 при настройке толщиномера частоту f, выбирают такой, что при изменении толщины на величину ЛТ Тдд-Т,л-1 .,) - нижняя граница последнего

.интервала, равнук значению последнего, интервала аппроксимации, состояние счетчика будет соответствовать значению Т,„.

I

В момент ti состояние счетчика 17 будет соответствовать значению Т, . Это состояние дешифрируется, управляемый ключ 21 размыкается, управляемый ключ 21 замыкается. Взамен резистора 20, в ч ас т от о задающий контур генератора 29 вводится резистор 20,. На вход счетчика 17 поступает последовательность импульсов с частотой f, настраиваемой аналогично с помощью резистора 20. Таким образом, осуществляется настройка всех резисторов in,l . В процессе измерений смена частот завершается в момент окончания импульса

В момент t импульс Ug поступает с выхода е системы 10 управления на вход Запись индикаторного регистра 18 и значение измеренной толщины Т)( индуцируется его индикатором.

Последовательность импульсов Uo, поступивших на вход счетчика 17, показана на фиг.2 (N,,N,...,Ni . количества импульсов соответствующих частот). Формула изобретени я

Электромагнитный интегрирующий толщиномер, содержащий соединенные

ния точности измерения и упрощения настройки, он снабжен (п+1) переменными резисторами, (п+1) управляемыми ключами, каждый из которых соединен последовательно с соответствующим переменным резистором, образуя Сп+1) соединенных между собой параллельно цепочек, соединенными последовательно инвертором, вход которого соединен с шестым выходом схемы управления и управляющим входом ключа первой це10

последовательно источник постоянного напряжения, резистор, обмотку возбуждения и первый управляемый ключ, второй вывод которого соединен с вторым выводом источника постоянного напряжения, соединенные последовательно индукционный преобразователь, буферный усилитель, второй управляемый ключ, интегратор, компаратор и схему управления, первый и второй выходы которой соединены с управляющими входами соотйетственно первого и второго ключей , третий управляемый ключ, включенный между общей точкой обмотки 5 Ритора, а выход - с управляющим вхо- возбуждения и резистора и входом ий- дом ключа второй цепочки, генератор тегратора, соединенные последователь- с автоматической подстройкой частоты но формирователь импульсов, предназначенный для подключения к источнику переменного напряжения, и первый делитель частоты, выходы которого соединены соответственно с вторым и третьим входами хемы управления, соединенные последовательно генератор

с автоматической подстройкой частоты, 25 ° схемы управления, регулятора и схему 2И-НЕ, второй вход которой перестраиваемого генератора, вькод соединен с третьим выходом схемы управления и управляющим входом третьего ключа, счетчик, второй вход которого соединен с четвертым выходом схемы управления, и индикаторный регистр, первый вход которого соединен с пятым выходом схемы управления, и дешифратор, входы которого соединены

20

почки, и схемой 2И, второй вход которой соединен с первым выходом дешифвыполнен в виде соединенных последовательно кварцевого генератора, второго делителя частоты, фазочувстви- тельного детектора, ключа, управляющий вход которого является входом генератора с автоматической подстройкой частоты и соединен с шестым выхо30

которого соединен с вторым входом фазочувствительного детектора и является выхоДЬм генератора с автоматической подстройкой частоты, а в час- тотозадающую цепь перестраиваемого генератора включены цепочки из переменных резисторов и ключей, второй - п-й выходы дешифратора соединены соответственно с управляющими входами

с выходами счетчика, отличаюкоторого соединен с вторым входом фазочувствительного детектора и яв ляется выхоДЬм генератора с автома ческой подстройкой частоты, а в ча тотозадающую цепь перестраиваемого генератора включены цепочки из пер менных резисторов и ключей, второй п-й выходы дешифратора соединены с ответственно с управляющими входам

щ и и с я тем, что, с целью повьше- ключей третьей - (п+1)-й цепочек.

7165S

ния точности измерения и упрощения настройки, он снабжен (п+1) переменными резисторами, (п+1) управляемыми ключами, каждый из которых соединен последовательно с соответствующим переменным резистором, образуя Сп+1) соединенных между собой параллельно цепочек, соединенными последовательно инвертором, вход которого соединен с шестым выходом схемы управления и управляющим входом ключа первой це10

5 Ритора, а выход - с управляющим вхо- дом ключа второй цепочки, генератор с автоматической подстройкой частоты Ритора, а выход - с управляющим вхо- дом ключа второй цепочки, генератор с автоматической подстройкой частоты

почки, и схемой 2И, второй вход которой соединен с первым выходом дешифРитора, а выход - с управляющим вхо- дом ключа второй цепочки, генератор с автоматической подстройкой частоты

выполнен в виде соединенных последовательно кварцевого генератора, второго делителя частоты, фазочувстви- тельного детектора, ключа, управляющий вход которого является входом генератора с автоматической подстройкой частоты и соединен с шестым выхо25 ° схемы управления, регулятора и перестраиваемого генератора, вькод

30

которого соединен с вторым входом фазочувствительного детектора и является выхоДЬм генератора с автоматической подстройкой частоты, а в час- тотозадающую цепь перестраиваемого генератора включены цепочки из переменных резисторов и ключей, второй - п-й выходы дешифратора соединены соответственно с управляющими входами

ключей третьей - (п+1)-й цепочек.

N, N, Nj fit Bx.3

Вых. I

Изобретение может быть использовано для толщинометрии крупногабаритных неферромагнитных изделий. Целью изобретения является повьшение точности и упрощение настройки толщиномера за счет использования в качестве органов настройки переменных резисторов и схемы автоматической подстройки частоты генератора в паузы между измерениями. Автоматическая подстройка частоты происходит по сигналу Uj со схемы 10 управления. При этом замыкаются управляемые ключи 27 и 21, с фазочувствительного летектора 26 на регулятор 28 перестраиваемого генератора 29 поступает напряжение, пропорциональное изменению частоты генератора 29. Происходит перестройка генератора 29. При измерении толщины изделия по сигналам с дешифратора 19; соответствующим узлам аппроксимации, ключи 21 - 21,) поочередно включают а в частотозадающую цепь генератора 29 переменные резисторы 202-20(„+,) , каждый из которых настроен на требуемую частоту аппроксимации. 3 ил.