Устройство для измерения магнитной проницаемости проводящего образца Советский патент 1991 года по МПК G01R33/12 

Изобретение относится к магнитным измерениям и может быть использовано при определении магнитных параметров проводящих образцов методом вихревых токов, например, в информационно-измерительных системах, а также в системах контроля технологических процессов.

Целью изобретения является повышение точности измерения за счет исключения влияния на результаты измерения воздушного зазора между испытуемым образцом и датчиком.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства для измерения магнитной проницаемости проводящего образца: на фиг.2 - структурная схема блока вычисления квадрата тангенса; на фиг.З - структурная схема делителя; на фиг.4 - структурная схема компаратора; на фиг.5 - график зависимости

угла з сдвига фаз между магнитными потоками в образце и вне его от обобщенного параметра X.

Устройство для измерения магнитной проницаемости проводящего образца содержит одновибратор 1, счетчик 2, генератор 3 тактовых импульсов (ГТИ), двухходовые элементы И 4 и 5, цифроана- логовый преобразователь (ЦАП) 6, коммутатор 7 аналоговых сигналов, управляемый генератор 8 синусоидальных колебаний, усилители 9 и 10 мощности, пороговый блок 11, блок 12 сравнения, регистр 13 сдвига, регистр 14, элементы ИЛИ 15 и 16, блок 17 управления, программируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ) 18, делитель 19, ключ 20, резисторы 21 и 22, конденсатор 23, вихреюковый проходной датчик 24, состоящий из рабочих возбуждающей и

С

со

Os 00

ю

измерительной обмоток 25 и 26 и обмотки 2 подмагпичивания, кнопку Пуск 28, пер- ЕШЙ вывод которого подключен к общей точке р второй вывод - к входу одновибратора 1, вы од (чогорого соединен с входом ycia- iOBK i начального состояния блока 17 и с олодоп обнуления счетчика 2

Неинвзртиующий выход ГТИ соединен iepBb MH входами элементов 4 и 5, выход элемента 4 соединен с суммирующим входом счетчика 2, а выход элемента -5с вь Ч -нающим входом счетчика 2, цифровые выходы которого соединены с цифровыми вх лдами ЦАП 6 и ППЗУ 18, цифровые выхо- дь1 ППЗУ 18 соединены с цифровыми входами регистра 14 и первыми цифровыми входами делителя 19, вторые входы которо- ъ соединены с цифровыми выходами реги- 1 ipa 14 Qbixo,a ПАП 6 соединен с первым г/мдом коммутатора 7, первый выход которого соединен с входом генератора 8, выход которого соединен с входом усилителя 9, выход КОТОРОГО соединен с первым выводом резистора 21 Второй выход коммутатора 7 соединен с первым выводом резистора 22, второй которого соединен с первым выводом конденсатора 23, с первым выводом ключа 20 и входом усилителя 10, выход которого подключен к первому выводу об- 27, второй вывод которой, второй вывод конденсатора 23 и в юрой вывод ключа °0 подключены к общей шине Вход блока 1 I соег имен с порвым входов блока 12, пер- вчй нхоп элемента 15 соединен с пыходом бло i i, второй вход - с выходом блокг i2 Пеовыа РХОЦЬ раОгдмх возбуждающей и из- 1ер пглььой обмоток 5 и 26 подключены к обшей точке

Ус госчстпо содержиI возбуждающую ч измерительную компенсационные обмотк1 29 и 30, блок 31 вычитания блок 32 вычисления квадрата тангенса угла р циф- роаналоговый поеобразователь 33 цифровое входы которого подключены к ш/ фровым выходам регистра 13 цифровые входы которого подключены к цифровым выходам блока 32, а вход сгробиоовзния записи регистра 13 сдвига соединен с неин- нерсным выходом ГП/1 3 Выход ЦАП 33 со- с вторым входом блока 12 инверсный выхоа ГТИ 3 соединен с входом запуска блока 32,

Структурная схема блока 32 вычисления квадрата тангенса угла (фиг 2} состоит из умножителей 34 - 40 сумматоров 41 и 42, вычитающих блоков (ВБ) 43 - 48 блока 49 целения, аналого-цифрового преобразователя АЦП) 50, ЦАП 51, переменного резистора 5, первый вывод которого подключен к обще1/ точке, второй (средний) - к первому

входу блока 44, а третий - к первому входу умножителя 38 и к выходу сумматора 42.

Структурная схема делителя 19 (фиг.З) состоит из ЦАП 53 и 54 и АЦП 55. На вход

преобразователя АЦП 55 поступает напряжение, соответствующее коду, хранящемуся в ППЗУ, а на вход опорного напряжения - напряжение, соответствующее коду, хранящемуся в регистре 14

0 АЦП 55 и 50 могут быть выполнены, например, на микросхемах 572ПВ1, а ЦАП 52, 53 и 6 - на микросхеме 572ПА1

Блок 12 (фиг.4) может состоять, например, из вычитающего блока 56, умножителя

5 57, компаратора 58, дифференциатора 59 На входы вычитающего блока 56 поступают сравниваемые напряжения с блока 32 и с ЦАП 33 Компаратор 58 срабатывает по приходу стробирующего импульса, определяю0 щего момент сравнения напряжения, поступающего с выхода Конец преобразования АЦП 50 блока 32 когда (1)зз - U32) UE, где Ut, - допускаемая ошибка в сравнении напряжений (задается задатчиком, который

5 на чертеже не показан), Узз IJ32 - выходные сигналы соответствующих блоков В момент переключения компаратора 58 дифференциатор 59 всегда выдает импульс положительной полярности

0Устройство работает следующим образом

Кнопкой 28 запускают одновибратор 1 Сигнал с выхода одновибратора 1 обнуляет счетчик 2 и устанавливает в начальное со- ° стоячие соответствующее выходному коду 1000, блок 17 управления Сигнал с выхода 1 блока 17 через элемент 16 поступает на элемент 4, разрешая прохождение импульсов с ГТИ 3 на суммирующий вход счетчика

0 2 Значение кода в счетчике 2 растет, что приводит к увеличению частоты гармонических колебаний генератора 8, и следовательно, частоты питающего напряжения в рабочей возбуждающей обмотке 25 вихре5 токового проходного датчика 24

Импульсы с выхода ГТИ 3 управляют работой блока 32, запуская его каждый раз новым импульсом Частота ГТИ 3 подобрана так, чтобы длительность переходного про0 цесса в управляемом генераторе 8 и обмотках датчика 24 была меньше половины периода импульсов ГТИ 3. При этом в момент пуска блока 32 на его входах будут установившиеся сигналы В зависимости от

5 частоты питающего напряжения, а также от величины маг нитной проницаемости образца, помещенного в датчик 24, меняется угол р сдвига фаз между магнитными потоками в образце и вне его При некотором значении

частоты генератора 8 значение квадрата тангенса угла (р сдвига фаз, на некоторое настроен блок 11, и значение текущего квадрата тангенса угла р сдвига фаз совпадут. При зтом срабатывает блок 11.

Нормированный магнитный поток Ф определяют из выражения

Ёа2 h (k R)

rf &

Фн ж-

(1)

Ek : -ЩГюгде Фа и Ф - продольные магнитные потоки в образце и в измерительной обмотке 26 датчика 24 без образца соответственно при фиксированном намагничивающем токе; ,

Еа - ЭДС, наведенная в обмотке 26 датчика 24 магнитным потоком Фа;

Ек- ЭДС, наведенная магнитным потоком Фк;

t R /Ru2 коэффициент заполнения обмотки 26 образцом;

R - радиус образца;

RU -радиус витка обмотки 26;

k v - j a)f.ta a - обобщенный параметр контроля;

fia - абсолютная магнитная проницаемость образца;

ш - частота электромагнитного поля датчика 24;

(7- удельная электропроводность образца;

Н, lo модифицированные функции Бесселя первого рода первого и нулевого порядков соответственно.

При вычислении квадрата тангенса угла (f сдвига фаз потока Фц используют датчик 24 с двумя парами обмоток трансформаторного типа с последовательно согласным соединением обмоток 25 и 29 возбуждения и последовательно встречным соединением измерительных обмоток 26 и 30.

В одну из пар (рабочую) обмоток 25 и 26 датчика 24 помещают образец, а другую пару используют в качестве компенсационной.

ЭДС измерительных обмоток рабочего Ер и компенсационного Ек преобразователей без образца равны между собой и их сумма А Ё Ёр + Ek равна 0.

Внесение изделия в рабочий преобразователь меняет соотношение Ер и Ек, появляется отличная от нуля ЭДС ЛЕ . При этом Ёр будет равна геометрической сумме ЭДС Еа и Ео, обусловленных магнитными потоками в изделии и в зазоре между измерительной катушкой и изделием, соответствен но.

С учетом равенства Е0 Ek (1 - /) получена формула для расчета квадрата тангенса угла р сдвига фаз между Еа и Ек, равного

углу сдвига фаз между магнитными потоками в образце и вне егр:

2Ek2(EP24TAEf)()2-Ek4 ()2

(2)

Блок 32 вычисляет квадрат тангенса уг- IQ ла р, где, как следует и,з (1),

р arg Фн(3)

Кроме того, известна формула для вычисления эффективной магнитной проницаемости цилиндрических образцов 15г. . 2li(ER)(4)

2 И (k: R) эф R Rio (PR)

Из анализа выражений (1), (3) и (4) следует, что

р агд/7Эф(5)

20На основании зависимости «Эф (х) построен график зависимости р f (х) прнве- денный на фиг.5. Здесь Х Vb)//a 7 R,

(р tg I Im//эф/Re//эф I. Из графика следует, что в диапазоне

25 обобщенного параметра 0 X 15 между f(a значит, и tg p) и X существует однозначная зависимость (данный диапазон и является рабочим для устройства).

Обозначим (р- - значение угла, на кото30 рое настроен блок 11; Xi - значение обобщенного параметра X, соответствующее .

После срабатывания блока 11 на выходе II блока 17 появляется сигнал, по которому

35 в регистр 14 записывается значение кода частоты, поступающего с выхода ППЗУ 18, предназначенного для учета нелинейной зависимости между значениями частоты управляемого генератора 8 и значениями

40 входного управляющего напряжения, определяемого кодом, хранящимся в счетчике 2. Одновременно с этим переключается коммутатор 7.

Блок 11 срабатывает при

45 ),/и /ии. где //и - измеряемое значение магнитной проницаемости образца; ft - относительная магнитная проницаемость образца.

При переключении коммутатора 7 час50 тота уменьшится и станет равной ш ftfe , где - наименьшее значение частоты управляемого генератора 8, при этом / //и . При переключении коммутатора 7 выходное напряжение ЦАП 6, усиленное усилителем

10, поступает на обмотку 27. По мере возрастания содержимого счетчика 2 значение частоты не меняется, растет ток подмагни- чивания, следовательно, уменьшается величина магнитной проницаемости образца и

значение обобщенного параметра, (точка на графике движется к точке ill, фиг.5. Значение угла уменьшается. Предыдущее значение кода квадрата тангенса угла р сдвига фаз поступает через АП 33 с выхода регистра 13 сдвига (запись в которой стробиру- ется импульсами с выхода ГТИ 3) на один из входов блока 12, Текущее значение квадрата тангенса угла (р поступает с выхода блока 32 (работа которого такхе стробируется импульсами с выхода ГТИ 3) и на другой вход блока 12.

о

Момент совпадения значений tg (p стробируется сигналом Конец преобразования блока 32. Отсутствие изменения tg p с ростом тока подмагничивания свидетельствует о наступлении режима насыщения исследуемого образца. При насыщении материала образца /и 1,й йь , значение обобщенного параметра (а, значит, и угла ip и tg2 p ) минимально (точка III на фиг.5). Когда наступает режим насыщения материала исследуемого образца, срабатывает блок 12 и появляется сигнал на выходе III блока 17. По этому сигналу переключается коммутатор 7, выход ЦАП 6 подключается к входу генератора 8 (код счетчика 2 при этом свидетельствует частоте од, при которой значение обобщенного параметра мак- симально, при этом значение угла р скачком возрастает (точка 1Y на фиг.5), переключается подача импульсов с выхода ГТИ 3 через элемент 5 на вычитающий вход счетчика 2. Ток подмагничивания в обмотке 27 датчика 24 при этом не изменяется, так как выходное напряжение коммутатора 7 запоминается с грмощью конденсатора 23 Счетчик 2 начинает уменьшать свой код Это вызывает уменьшение частоты колебаний генератора 8, уменьшение значения обобщенного параметра (точка IY движется к точке I на фиг,5). Значение обобщенного параметра уменьшается до тех пор, пока угол у не станет равным заданному значению (точка I на фиг,5). В этом случае при некотором значении частоты од срабатывает блок 11, на выходах блока 17 управления появляется сигнал 0001, по которому фиксируется значение кода в счетчике 2, и делитель 19 делит код, поступающий с выхода ППЗУ 18 на код, хранящийся в регистре 14 На выходе делителя 19 получают код, пропорциональный значению магнитной проницаемости образца,

(,

Если р или tg (p постоянны, то,как следует из выражения (1), const и, значит, имеет место баланс обобщенных параметров для ферромагнитных образцов имею0

щих нулевой воздушный зазор с датчиком 24, т.е. можно записать

- j R2 сот ра о - - j R2 ад j«o а, (6) где wi - частота электромагитного поля в момент первого по счету равенства кода, соответствующего tg2 tp и кода заданной величины;

ОУ2. частота в момент второго по счету равенства кодов, соответствующего режи- му насыщения образца;

//о - магнитная постоянная. Когда образец насыщен, его магнитная проницаемость ju. 1 Из формулы (6) следует, что

(0.(7)

Таким образом, эффект от использования предлагаемого устройства заключается в повышении точности измерения магнитной проницаемости проводящего образца за счет исключения влияния воздушного зазора между испытуемым образцом и датчиком на результат измерения

Причем, чем больше воздушный зазор тем большая по сравению с известным уст5 ройством точность измерения Так, при измерении на частотах 1-5 кГц магнитной проницаемости образцов с коэффициентом заполнения измерительной обмотки образцом Г (0,5-0,7) точность измерения повы0 шается на 10- 15%.

Кроме того, при электромагнитном контроле магнитной проницаемости образцов при условии / М повышается достоверность контроля, вследствие чего уменыкается вероятность события, заключающегося в том, что не будет замечен бракованный образец, либо бракованный образец будет принят за годный

Формула изобретения 1. Устройство для измерения магнитной проницаемости проводящего образца, содержащее сдвиговый регистр, вихретоко- вый проходой датчик с возбуждающей и измерительной обмотками и обмоткой подмагничивания, кнопку, выводы которой подключены соответственно к общей шине и входу одновибратора, выход которого соединен с входами установки блока управления и счетчика, генератор тактовых импульсов неинвертирующий выход которого соединен с первыми входами первого и второго элементов И, выходы которых соединены соответственно с суммирующим и вычитающим входами счетчика, выходы ко5 торого соединены с входами первого цифро- аналогового преобразователя и программирумого постоянного запоминающего устройства, выход которого соединен с входом регистра и первым входом делите5

0

ля, второй вход которого соединен с выходом регистра, выход первого аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом коммутатора аналоговых сигналов, первый выход которого соединен с входом управляемого генератора синусоидальных колебаний, выход кетового соединен с входе / первого усилителя мощности, выход которого соединен с перзым выаодом первого резистора, второй вылод коммутатора аналоговых сигналов соединен с первым .- второго резистора, второй вывод которого соединен с первым выводом конденсатора, первым выводом ключа и входом второго усилителя мощности выход которого подключен к первому выводу об- моткм подмагничивания, второй вывод которой соединен с вторым аыводзм конденсатора, вторым зыводом к.юча и общей ши.-шй, вход порогового блока соединен с первым входом блока сравнена, входы первого элемента ИЛИ соединена с выходили порогового блока /1 блока сравнения, а выход первого элемента ИЛИ соединен с входом блока управления, первый выход которого соединен с управляющем входо « ключи и первым входом второго гле- мента ныход которого соединен с с-, з- ры;-/ аходом первого элемента, И, отор::й выход 5гоке управления соединен с ятооьпл входом второго элемента ИЛИ, входом синхронизации регистра и управлявшим входом коммутатора аналоговых с налоа, третий выход блока управления соединен с вторым входом второго элемента И, четвер- тый выход блока управления соединен с тактовым входом делителя, а первые ьычоды измерительной и возбуждающей обмоток подключены к общей шине, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено двумя компенсационными обмотками, блоком вычитания, блоком вычисления квадрата тангенса и вторым циф- роаналоговым преобразователем, вход которого подключен к выходу регистра сдвига, информационный вход которого подключен к цифровому выходу блока вычисления квадрата тангенса, при этом вход синхронизации регистра сдвига соединен с неинвертирующим выходом генератора тактовых импульсов, выход второго цифро- аналогового преобразователя соединен с вторым входом блока сравнения, инвертирующий выход генератора тактовых импульсов соединен с входом запуска блока вычисления квадрата тангенса, аналоговый выход и выход синхронизации которого соединены с объединенными входом порогового блока и первым входом блока сравнения и входом стробирования блока

сравнения соответственно, причем второй вывод первого резистора соединен с первым выводом первой компенсационной обмотки, второй вывод которой соединен с

вторым выводом возбуждающей обмотки, первый вывод второй компенсационной обмотки соединен с вторым выводом измерительной обмотки, с первым входом блока вычитания и первым входом блока вычисления квадрата тангенса, второй вход которого соединен с выходом блока вычитания, второй вход которою соединен с третьим входом блока вычисления квадрата тангенса и с вторым выводом второй компенсационной обмотки.

2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что блок вычисления квадрата тангенса выполнен в виде первого, второго,

третьего, четвертого, пятого, шестого, и седьмого умножителей, первого и второго сумматоров, первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого вычитающих блоков, блока деления, аналого-цифрового

преобразователя, цифроаналогового преобразователя, переменного резистора, выводы которого подключены соответственно к общей шине, первому входу вычитающего блока v, первому входу пятого умножителя,

объединенного с выходом второго сумматора, входы которого объединены и соединены с вторым входом вычитающего блока, с объединенными входами шестого умножителя v с выходом третьего умножителя, первый и второй входы которого объединены и соединены с вторым входом блока вычисления квадрата тангенса, первый вход которого соединен с объединенными первым и вторым входами первого умножителя, при

этом третий вход блока вычисления квадрата тангенса соединен с объединенными первым и вторым входами второго умножителя, выход которого соединен с первыми входами первого сумматора и шестого вычитающего блока, а также с первым выходом первого вычитающего блока, второй вход которого соединен с вторым входом первого сумматора, выходом первого умножителя и первым входом третьего вычитающего блока. выход первого вычитающего блока соединен с объединенными входами четвертого умножителя, выход которого соединен с первым входом четвертого вычитающего блока, второй вход которого

соединен с выходом пятого умножителя, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора, выход четвертого вычитающего блока соединен с первым входом пятого вычитающего блока, второй вход которого соединен с выходом шестого умножителя, выход пятого вычитающего блока соединен с первым входом блока деления, второй вход которого соединен с выходом седьмого умножителя, входы которого объединены и соединены с выходом шестого блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом третьего вычитающего блока, второй вход которого соединен с выходом второго вычитающего блока, выход делителя соединен с входом аналого-циф- рового преобразователя, выход которого

соединен с входом цифроаналогового преобразователя и цифровым выходом блока вычисления квадрата тангенса, выход синхронизации которого соединен с выходом окончания преобразования аналого-цифрового преобразователя, а выход цифроаналогового преобразователя соединен с аналоговым выходом блока вычисления квадрата тангенса, вход запуска которого соединен с входом запуска аналого-цифрового преобразователя.

Изобретение относится к магнитным измерениям и может быть использовано при определении магнитных параметров проводящих образцов методом вихревых токов, например, в информационно-измерительных системах, а также в системах технологических процессов. Целью изобретения является повышение точности измерений за счет исключения влияния воздушного зазора между испытуемым образцом и датчиком на результат измерения. Устройство содержит одновибратор, счетчики, генераторы, цифроаналоговые преобразователи, запоминающее устройство (ППЗУ), делитель, вихретоковый проходной датчик, а также блок вычисления квадрата тангенса угла. Измерение магнитной проницаемости осуществляется путем деления частоты элек- тромагнитного поля на частоту электромагнитного поля в режиме насыщения образца при постоянстве угла между магнитными потоками в образце и вне его. 1 з.п ф-лы, 5 ил. (Л

Я

П

kQ

51

lf.fl

-

и,

гвя

56

.

57

U

г

фиё.Ь

-Г-Г-Г-ГИ-Г -ПГ-1ГЦ-1ГТ ,iiii-

5И;5 x

фуг 5

5g

59

15