Устройство для измерения удельной электрической проводимости изделий Советский патент 1989 года по МПК G01N27/90 

Изобретение относится к контроль- но-измеритепьной технике и может быть использовано для измерения удель- удельной электрической проводимости электропроводящих объектов.

Цель изобрете1шя - повьппение точности измерения за счет снижения методической погршености путем формирования функ1щи преобразования, обеспечивающей мультипликативное влияние зазора между преобразователем и контролируемым изделием на ее параметры, и достижения низкой инструментальной погрешности путем использования высокостабильного тестового

AW

сигнала -г,-, w

На фиг.1 показана структурная схема предлагаемого устройства; на

31

фиг,2 - графики, поясняющие работу устройства.

Устройство для измерения удельной электрической проводимости электропроводящих изделий содержит соединенные последовательно модулятор 1, генератор 2, вихретоковый преобразователь 3, состоящий из возбуждающей катушки 4, подключенной к генератору 2, первой измерительной катушки 5 и второй измерительной катушки 6, идентичной измерительной катушке 5, расположенной с ней со- осно,в параллельных плоскостях, не совпадающих друг с другом, усилитель 7, подключенный к измерительной катушке 5, амплитудный детектор 8, первый фильтр 9 выделения переменной составляющей, синхронный детектор 10 второй вход которого подключен к выходу модулятора 1, блок 11 сложения и интегратор 12, выход которого подключен к управляющему входу генератора 2, первый фильтр 13 выделения постоянной составляющей, подключенный к выходу детектора 8, первый блок 14 опорного напряжения, подключенный к второму входу блока 11 сложения. Устройство также содержит соединенные последовательно второй усилитель 15, подключенный к второй измерительной катушке 6,второй амплитудный детектор 16, второй фильтр 17 выделения постоянной составляющей, второй блок 18 сложения, первый блок 19 деления, первый блок 20 вычитания и второй интегратор 21, соединенные последовательно третий блок 22 сложения, вход которого подключен к выходу фильтра 13 и второй блок 23 деления, второй вход которого подключен к выходу фильтра 9, а выход - к второму входу блока 20 вычитания, соединенные последователь

но второй блок 24 вычитания, вход которого подключен к выходу блока 22 сложения, блок 25 возведения в квадрат, третий блок 26 деления и индикатор 27. Устройство содержит также второй блок 28 опорного напряжения, третий блок 29 опорного напряжения и второй фильтр 30 выделения переменной составляющей, включенный между выходом амплитудного детектора 16 и вторым входом блока 19 деления, причем блок 28 опорного напряжения подключен к вторс му входу блока 24 вычитания, блок 29. опорного напряже

ния подключен к второму входу блока 26 деления, а выход интегратора 21 подключен к вторым входам блоков 22 и 18 сложения.

Устройство работает следующим образом.

Вихретоковый преобразователь 3 устанавливают на контролируемое изделие и запитывают его с помощью генератора 2 током с частотой (д) , Выходное напряжение преобразователя и, снимаемое с катушки 5, в некоторой области изменения параметра | будет равно

и - (а.

а,|3) I.

а,

а, I коэффициенты преобразования;

величина тока возбуяде- ния;

20

25

Ь - ,

R N

G

магнитная постоянная; радиус катушки 5; удельная электрическая проводимость материала контролируемого изделия. Выходное напряжение и усиливается усилителем 7 и выпрямляется амплитудными детекторами 8, Среднее значение выпрямленного напряжения на выходе фильтра 13 вьщеления постоянной составляющей U, будет равно

0

0

5

0

5

и

(а, + а,|3 ) I-Kj-K g. K,i(1) ,

где

V

- коэффициенты передач усилителя, амплитудного детектора и фильтра вьщеления постоянной составляющей, соответственно. Модулятор 1, подключенный к управляющему входу генератора 2, заставляет изменяться частоту 0 генератора 2 на величину 16 (О с частотой Я , где - частота сигнала с модулятора 1, причем Л « 03 , При этом параметр р будет изменяться на величину

P-fw

2

лр

(0

&CJ

где

V, Ь

fu- (0

При изменении fb на величину t&/% на выходе фильтра 9 вьделения пере5

менной составляющей, который вьщапя- ет сигнал с частотой Q , появится сигнал UU , равный

,д Ч -Г« «) 2)

где

К - коэффициент передачи фильтра выделения переменной

составляющей,

С помощью канала обратной связи, юстоящего из синхронного детектора 10, блока 11 сложения, интегратора 12 и блока 14 опорного напряжения, величина тока I возбуждения изменяется до тех пор, пока напряжение на выходе синхронного детектора

10 не будет равно U ли, К,д UOP.,

(2), т.е. (3)

где и

on. 1

К

СА

-величина сигнала с блока 14 опорного напряжения;

-коэффициент передачи синхронного детектора 10.

Выразив с учетом (3) из выражения (2) величину тока в установившемся режиме и подставив его в (1), получим

и, (а, + а

f)-K.

аЭ

К X

К

,1

д К,. а, K ICcj Р

1).

Если считать, что в процессе измерения Сз величины Ufln К,, Kj, К-, Jy, СО не изменяются, то влияние неконтролируемых мешающих параметров изделия можно представить в виде изменения величин а, и а,. Из анализа выражения (4) видно, что корекция результата измерения путем изменения величины тока I позволяет отстроиться только от таких мешающих воздействий, которые не изменяаоют величину --,

3 I

а одно из самых часто встречающихся мешающих воздействий, заключающееся в изменении зазора между контролируемым изделием и вихретоковым преобразователем

3, изменяет величину .

14906354

Сказанное вьпие можно проиллюстрировать с помощью графиков на фиг.2, на которых изображены в некоторой области /3 две зависимости величины сигнала U,(p) для разных значений

, 2h -R-,

где h - величина зазо

р10

15

20

а

0.

я им

2Ь

30

40

ра между контролируемым изделием (И вихретоковым преобразователем 3. При изменении Ыу в общем случае меняются ар и а, поэтому прямые 31 и 32 пересекаются. Коррекция изменением тока I изменяет масштаб по оси ординат (oU ), т.е. прямые 31 и 32 вращаются вокруг точек пересечения с осью абсцисс (о). После корректировки результата измерения зависимость величины сигнала и,(3) при oi pij отображает прямая 33, а при + А oL - прямая 34. Наклон обеих прямых 33 и 34 будет одинаковый, поэтому одному и же значени1о (5 будут соответствовать разные значения и величи- такая неоднозначность выэы- определении величины В при изменении зазора. Чтоб1 устранить влияние зазора, необходимо, чтобы точка пересечения прямых 31 и 32 лежала на оси абсцисс (об) . Для достижения этого необходимо из величины сигнала U вьшесть величину и |(ДР . Известно, что если две пря- мые описываются выражениями U

ны и, ,

вает ошибку в

II

(

а,

+ а,х и и а + а , X, то ордината точки пересечения, будет иметь вели41iHy

и

/So а, I 1а а ./

Т Т

о

а;

а,

„ I

Величина U, будет равна нулю.

45 если а а - а

О, т.е.

Таким образом, условие

-- const геометрически означа f 0 1

ет, что точка пересечения прямых 31 и 32 должна лежать на оси абсцисс (ор) .

Сигнал и,, снимаемый с выхода фильтра 13, складьшается с коррек- тирукяцим сигналом в блоке 22 сложения . Для получения необходимого

значения U

кор

вихретоковый праобразователь 3 снабжен второй измерительной катушкой 6, идентичной измерительной катушке 5, расположенной с ней соосно, но на другом расстоянии от контролируемого изделия. Расстояние между катушками 5 и 6 не превосходит возможный диапазон изменением зазора h.

Сигнал с катушки 6 усиливается усилителем 15 и выпрямляется амплитудным детектором 16, постоянная составляющая усиленного и вьтрямпен- ного напряжения Uj выделяется вторым фильтром 17 выделения постоянной составляющей, а переменная составляющая &и выделяется вторым фильтром 30 выделения переменной составляющей, причем коэффициенты передач блоков 15, 16, 17 и 30 соответственно равны коэффициентам передач блоков 7, 8, 13 и 9. При этом

и, (а + a;|b)-I.K. К„э 1 «; iU, а;.1.Ку..К,-у(о-|3/2.

где вд, а - коэффициенты преобразования при изменившемся зазоре.

Для нахождения необходимой величины Ut(jp можно воспользоваться

тем положением, что

&Ui

и, + Ukop

AUi

Р

в том случае, если

. и + и ко

а а

- -f. Так как при суммировании

1 1

и и Uj с и ор величина &U, не изменяется, то не изменяется и величина тока возбуждения. Отсюда суммирование и, и Uj с и уор эквивалентно изменению а на величину

Улу

I.K,. Kg. К, о

, поэтому

J jbi : lSj :J52 (а + йа + а.3).К

aijl.(

2 (а; + Ьао + а (3) К 1 1.

&

, |..- . |.:

: k ,

„

а а„

+ Ла

0 а +&а

о О

Таким образом, соблюдение равен

5

0

ства

UU,

&U;

пор

г UK

означает, что

I

op

3) Сигналы и,

§55 S И и.

поступающие с

2

фильтров 13 и 17, суммируются с соответственно в блоках 22 и 18 сложения. Сигнал . снимается с выхода второго интегратора 21 и поступает на вторые входы блоков 22 и 18 сложения. На первый вход перво го блока 19 деления поступает сигнал и + UHQO , на второй вход поступает сигнал U.U 2 с выхода фильтра 30. Аналогично на первый и второй вход второго блока 23 деления поступают сигналы U, . и AU,

&Ui

и, + J7 op лиг с выходов блоков 19

г Кор

и 23 поступают соответственно на первый и второй входы первого бло0

5 соответственно. Сигналы

и.

ка 20 вычитания. Сигнал

ли,

лиг

и

и

ko

f

с выхода блока 20 псстуг

пает на вход интегратора 21, Сигнал Uicop на выходе интегратора 21 будет изменяться до тех пор, пока в установившемся режиме на входе интегратора 21 не будет действовать сигнал, равный нулю, т.е. в установившемся режиме будет соблюдаться

и,

AU.

/aUi

+ и

кар

УЛ кор

с учетом того, что суммирование и с и (ор эквивалентно изменению ве личины а на а,, перепишем йыраже- 50 ние (4) в виде

, ..,

м ( О,

., 2Uon,i где М -к--Гк-Ггм со f ш

Отсюда с учетом того, что /J R- fUoCOO , получим

(и,

А (

+ и,ор - м).

(5)

)

R /MO CO

1-1

m р + tx m

Изобретение позволяет повысить точность измерения удельной электрической проводимости в условиях изменяющегося зазора между вихретоковым преобразователем (ВТП) 3 и поверхностью контролируемого изделия. На выходе блока 19 деления формируется сигнал ΔV₂/(V₂+V_кор, который поступает на первый вход блока 20 вычитания, на второй вход которого поступает сигнал ΔV₁/(V₁+V_кор), сформированный на выходе блока 23 деления. Выход блока 20 вычитания подключен к входу интегратора 21, поэтому в установившемся режиме, когда на входе интегратора 21 действует сигнал, равный нулю, соблюдается равенство ΔV₂/(V₂+V_кор)=ΔV₁/(V₁+V_кор). За счет коррекции сигнала V₁ путем суммирования его с V_кор. формируется функция преобразования устройства, в которой мешающий параметр - зазор мультипликативно воздействует на параметры функции преобразования устройства. Мультипликативное воздействие мешающего параметра устраняется за счет изменения величины тока генератора 2, возбуждающего ВТП 3. В соответствии с полученной функцией преобразования блок 24 вычитания, блок 25 возведения в квадрат и блок 26 деления обрабатывают сигнал V₁+V_кор, а индикатор 27, подключенный к выходу блока 26 деления, показывает величину удельной электрической проводимости материала контролируемого изделия. 2 ил.

Ha первый вход блока 24 вычитания поступает сигнал U + , а на второй вход блока 24 поступает сиг- нал UQPJ. М с второго блока 28 опорного напряжения. С выхода блока 24 сигнал (U + U ор - М) поступает на вход блока 25 возьедения в квадрат, с его выхода сигнал (U, + на - М) поступает на первый вход третьего блока 26 деления, на второй вход которого поступает сиг}{ал с третьего блока 29 опорного напряжения ир С выхода блока 26 сигнал

+ и

- М)

поступает на ин(и , т и цор

дикатор 27, который будет показывать искомую величину С

Зная ве 1ичины U о,, , Kj, , К, Уу, можно получить расчетным путем значение величины коэффициента М. Расчетное значение величины коэффициента А можно уточнить калибровкой устройства на эталонном изделии.

Величина --- а,

в данном устройстве

не изменяется при изменении велггчи- ны обобщенного зазора oL в заданно - небольшом диапазоне его изменения. Действительно, при небольших изменениях влияние последнего на коэффициенты ад и ai можно представить в виде а, -Сд + oi- с.а т,, ,где Ср, с, , Шд, т - коэффициенты пропорциональности. Напряжения U и U с измерительньгх катушек 5 и 6 при этом будут соответственно равны:

и

(ср +06 с,) |3 + (год у-т,); (cj, + ( ei + Aoi.) с ,) /3 +

+ (mj,-i-(oi +boi).in,),

iH 2

где uot к

u И - расстояние между измерительными катушками 5 и 6.

Найдем абсциссу и ординату точки пересечения двух зависимостей:

Y«

/Шо + oi. m Op + oi с I

+ (ot + ЛоХ.)1п-.С2

+ +

Ы- c,

( fi +

&06) с

:;/

...l

T(

ra 15

Таким образом, координаты точки пересечения двух зависимостей не зависят от величин oi и йоб(если Aoi 0) , поэтому величина UKOB не изменяется при изменении ff и, следо.ательно, величина

2-0.

1

и результат

изменения (5 не зависят от изменения oi в заданном диапазоне его применения.

Предлагаемое устройство позволяет повысить точность измерения удельной электрической проводимости изделий в достаточно широком диапазоне ее изменения в условиях изменения зазора между изделием и преобразователем за счет формирования специальным корректирующим сигналом функции преобразования устройства заданного вида и использования высо

UW костабильного тестового сигнала -;%

точность задания которого может быть на уровне сотых долей процента.

Формула изобр е тения

Устройство для измерения удельной электрической проводимости изделий, содержащее последовательно соединенные модуотятор, генератор,

вихретовый преобразователь, первые усилитель, амплитудный детектор и г} ильтр выделения переменной составляющей, синхронный детектор, второй вход которого подключен к выходу

модулятора, первые блок сложения и интегратор, выход которого подключен к управляющему входу генератора, первый фильтр выделения постоянной составляющей, подключенный к выходу

амплитудного детектора, первый блок опорного напряжения, подключен)ын к второму входу первого блока сложения,и индикатор,о тличающе- ё с я тем, что, с целью повышения точности измерения, оно снабжено соединенными последовательно вторыми усилителем, амплитудным детектором. фильтром вьщеления постоянной составляющей и блоком сложения, первыми блоком деления и блоком вычитания и вторым интегратором, соединенными последовательно третьим блоком сложения, вход которого подключен к выходу первого фильтра выделения постоянной составляющей, и вторым блоком деления, второй вход которого подключен к выходу первого фильтра выделения переменной составляющей а выход - к второму входу первого блока вычитания, соединенными последовательно вторым блоком вычитания, вход которого подключен к выходу третьего блока сложения, блоком возве- дения в квадрат и третьим блоком де

0

о 5

5

Ленин, выход которого подключен к индикатору, вторым фильтром выделения переменной составляющей, включенным между выходом второго амплитудного детектора и вторым входом первого блока деления, вторым блоком опорного напряжения, подключенным к второму входу второго блока вычитания, и третьим блоком опорного напряжения, подключенным к второму входу третьего блока деления, выход второго интегратора подключен к вторь1м входам второго и третьего блоков сложения, вихретоковый преобразователь выполнен в виде соосно расположенных двух идентичных измерительных катушек, лежащих в параллельных плоскостях, и катушки возбуждения, лежащей в плоскости одной из измерительных катушек и соосной с ней, катушка возбуждения подключена к вы- ходу генератора, а измерительные катушки подключены соответственно к входам первого и второго усилителей.

Фаг.1

(JKOP

onf{ 0

l(dn)

(do) )

Фа9.2