Устройство для измерения электрической проводимости и магнитной проницаемости Советский патент 1991 года по МПК G01R33/02 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к многопараметрическим датчикам физических величин, и могут использоваться для контроля токопроводя- щих и магнитных материалов по параметрам электрической проводимости и магнитной проницаемости, а также размерных величин изделий из то ко про водящих и магнитных материалов с известными параметрами электрической проводимости и магнитной проницаемости.

Цель изобретения - повышение точности.

На фиг. 1 показана схема устройства; на фиг, 2 - схема блока управления; на фиг. 3 - временная диаграмма управляющих сигналов блока управления.

Предлагаемое устройство для измерения электрической проводимости и магнитной проницаемости (фиг. 1) состоит из формирователя 1 импульсов напряжения прямоугольной формы, двух проводников 2

и 3 образующих индуктивности, вычитающего трансформатора 4, двух пар усилитель- ных транзисторов 5. 6 и 7, 8, двух накопительных конденсаторов 9 и 10, шести управляемых ключей 11-16, двух истоковых повторителей на полевых транзисторах 17, 18, двух выходных транзисторов 19, 20, четырех генераторов тока 21-24, двух ячеек выборки и хранения (или АЦП) 25.26 и блока управления 27, причем выход формирователя 1 соединен с первыми выводами проводников 2, 3, вторые выводы которых соединены с первичной обмоткой трансформатора 4, средняя точка которой соединена с нулевой шиной, первый вывод вторичной обмотки трансформатора 4 соединен объединенными базами транзисторов 5 и 8 и через резистор 28 подключен к шине нулевого потенциала, к которой через резистор 29 подключены объединенные базы транзисторов 6, 7, соединенные вторым выводом вторичной обмотки трансформатора 4, по(Л

С

о ел о о к

00

парно объединенные эмиттеры транзисторов 5, 6 и 7, 8 через управляемые ключи 11, 12 и первый генератор тока 21 соединены с первой шиной питания 30, попарно объединенные коллекторы транзисторов 5, 7 и 6, 8 соединены соответственно с затворами полевых транзисторов 17, 18, с первыми выводами накопительных конденсаторов 9, 10, через ключи 13, 14 с второй шиной питания 31 и через ключи 15, 16 с выходами генераторов 22, 23 тока, входы которых соединены с второй шиной питания 31, к которой подключены стоки полевых транзисторов 17, 18, истоки которых соединены с базами выходных транзисторов 19, 20 и через нагрузочные резисторы 32, 33 подключены к общей шине, эмиттеры выходных транзисторов 19, 20 через радиальные резисторы 34,35 подключены к выходу генератора тока 24, вход которого соединен с второй шиной питания 31, коллекторы транзисторов 19, 20 через нагрузочные резисторы 36, 37 соединены с первой шиной питания 30, а коллектор транзистора 20 кроме того соединен с информационными входами ячеек выборки и хранения или (АЦП) 25, 26, выходы которых соединены с выходами 38, 39 устройства, первый выход 40 блока управления 27 подключен к входу формирователя 1, второй выход 41-к объединенным управляющим входам ключей 13, 14, выходы 42, 43 - к входам ключей 11, 12, выход 44 - к объединенным управляющим входам ключей 15, 16, выходы 45, 46 - к управляющим входам ячеек выборки и хранения (или АЦП) 25, 26, изделие 47 из контролируемого материала помещается в поле рассеивания первой проводниковой системы 2,

Блок управления (фиг. 2), формирующий временную диаграмму управляющих сигналов, содержит генератор импульсов 48, счетчик импульсов 49 с изменяющимся коэффициентом пересчета, определяющим количество импульсов в серии, триггер 50 со счетным входом, пять элементов И 51-55, один элемент НЕ 56, один элемент задержки 57 с прямым выходом, один элемент задержки 58 с инвертированным выходом, элемент дифференцирования 59 положительного перепада, выходы счетчика 49 и один элемент ИЛИ 60. Порядок работы блока управления поясняется временной диаграммой, приведенной на фиг. 3, цифры на временной диаграмме соответствуют номерам выходов блока управления 27.

Устройство для измерения электрической проводимости и магнитной проницаемости работает следующим образом.

Серия импульсов на выходе 40 блока управления 27 запускает формирователь 1

импульсов напряжения прямоугольной формы, которые возбуждают проводники 2, 3, образующие индуктивности, вокруг которых возбуждается магнитное поле. Так как проводники 2 и 3 идентичны, то токи, протекающие через них, одинаковы, поэтому напряжение на вторичной обмотке трансформатора 4, определяемое разностью токов в первичных обмотках трансформатора

0 4, равно нулю. Нулю равно и напряжение на выходе устройства. При внесении изделия из контролируемого материала в магнитное поле первого проводника 2 в материале изделия индуцируется вихревые токи, поле кото5 рых направлено встречно полю тока в проводнике, в результате чего индуктивность проводника 2 уменьшается и на вторичной обмотке вычитающего трансформатора 4 поясняется напряжение, пропорциональное

0 проводимости материала.

В момент нарастания фронта импульса тока возбуждения магнитное поле формируется не только за счет поля вихревых токов, но и за счет поля намагничивания материа5 ла изделия, которые направлены встречно друг другу, Поэтому на выходе трансформатора 4 на интервале времени существования вихревых токов результирующий сигнал равен разности сигналов от поля вихревых

0 токов в материале изделия и поля намагничивания, а после успокоения вихревых токов сигнал формируется только в результате намагничивания материала изделия, и напряжение этого сигнала однозначно опре5 деляет магнитную проницаемость материала изделия.

Во время первой серии импульсов возбуждения измеряется электрическая проводимость материала изделия, а во время

0 второй серии - его магнитная проницаемость. Серии импульсов формируются в блоке управления 27 посредством счетчика 49. Когда старший разряд счетчика (на фиг. 2 триггер 50) находится в состоянии О,

5 формируется первая серия импульсов для измерения электрической проводимости материала, которая оценивается по сумме разностных сигналов на вторичной обмотке трансформатора 4 на переднем фронте им0 пульса возбуждения и на плоской его части. Когда старший разряд счетчика находится в состоянии 1, формируется вторая серия импульсов возбуждения для измерения магнитной проницаемости материала изделия,

5 которая оценивается по напряжению разностного сигнала на интервале времени импульса возбуждения после успокоения вихревых токов до спада импульса.

Для оптимальной обработки сигналов используется схема с накоплением заряда.

В начале каждой серии формируется управляющий импульс на выходе 41 блока управления, в результате чего ключи 13, 14, замыкаются и накопительные конденсаторы 9, 10 заряжаются до напряжения второй шины питания 31. После размыкания ключей 13, 14 все время первой серии импульсов на интервале времени существования индуцированных вихревых токов, т. е. на переднем фронте импульса тока возбуждения, замыкается ключ 11 и ток генератора 21 поступает в эмиттеры транзисторов 5, 6, в результате чего последние открываются, ток генератора 21 перераспределяется между ними пропорционально напряжению на их базах; и конденсаторы 9, 10 разряжаются токами коллекторов транзисторов 5, 6 до разных уровней напряжения.

После размыкания ключа 11 на плоской части импульса тока возбуждения по сигналу на выходе 43 блока управления замыкается ключ 12, ответвляющий ток генератора 21 в эмиттеры транзисторов 7 и 8, в результате чего последние открываются и происходит дальнейший разряд конденсаторов 9, 10 токами, пропорциональными напряжению на базах транзисторов 7, 8. Но так как транзисторы 5, 6 и 7, 8 включены между собой встречно, то во время замыкания ключа 12 происходит суммирование заряда конденсатора к первому результату, занесенному во время замыкания ключа 11. Так как напряжение сигнала на первом и втором интервалах времени импульса тока возбуждения имеют противоположную полярность, то заряды каждого конденсатора на первом и втором интервалах времени суммируются.Таким образом, результирующее напряжение на конденсаторах 9,10 соответствует сумме напряжений сигнала на переднем фронте импульса возбуждения и на плоской его части. Во время последующих импульсов первой серии последовательность замыкания ключей 11 и 12 сохраняется, разряд конденсаторов продолжается, в результате чего в конце серии напряжение заряда конденсаторов 9. 10 становится равным сумме зарядов на ин- тервале времени одного импульса. Для увеличения коэффициента усиления входного каскада, состоящего из усилительных транзисторов, накопительных конденсаторов, эмиттерных ключей и генератора тока 21, в устройстве используется цепь подзаряда накопительных конденсаторов, содержащая ключи 15, 16 и генераторы тока 22, 23. Ключи 15, 16 замыкаются по сигналам с выходи 44 блока управления 27 одновременно с замыканием ключей 11 и 12.

Ток генераторов 22, 23 задается таким, чтобы напряжение заряда конденсаторов 9, 10 в конце серии при сбалансированной схеме, т. е. при отсутствии изделия в магнит- 5 ном поле первого проводника 2, было равно половине напряжения второй шины питания 31, т. е. Е/2, а разность напряжений зарядов конденсаторов 9 и 10, соответствующая максимальному напряжению инфор- 0 мационного сигнала, также была равна Е/2. На выходные транзисторы 19, 20 напряжение с накопительных конденсаторов передается через истоковые повторители на полевых транзисторах 17, 18. Выходные 5 транзисторы 19, 20, включенные по схеме дифференциального усилителя, служат для преобразования разностного напряжения на накопительных конденсаторах 9, 10 в напряжение относительно общей шины. На0 пряжение накопительного заряда на коллекторе транзистора 20 в конце серии по сигналу с выхода 45 блока управления зано- сится в ячейку выборки и хранения 25. Если в устройстве необходим цифровой эквивз5 лент измеряемых параметров, то вместо ячейки выборки и хранения используется АЦП, аналоговое напряжение на входе которого по сигналу с выхода 45 блока управления преобразуется в цифровой код и

0 хранится до следующего обращения к АЦП. Таким образом, напряжение на выходе ячейки выборки и хранения (или код на выходе АЦП) 25 эквивалентно электрической проводимости материала контролируемого

5 изделия.

В начале второй серии импульсов возбуждения по сигналу с выхода 41 блока управления замыкаются ключи 13, 14, через которые накопительные конденсаторы за0 ряжаются до напряжения второй шины питания 31. После размыкания ключей 13. 14 на интервале времени импульса возбуждения после успокоения вихревых токов замыкается ключ 12, в результате чего ток

5 генератора 21 поступает в эмиттеры транзисторов 7, 8, перераспределяясь между ними пропорционально напряжению на базах транзисторов, которое определяется на этом интервале времени магнитной прони0 цаемостью материала изделия. Конденсаторы 9, 10 разряжаются коллекторными токами транзисторов 7, 8. Одновременно с ключом 12 замыкаются ключи 15, 16, через которые осуществляется подззряд конден5 саторов 9, 10 токами генераторов 22, 23. В течение второй серии импульсов возбуждения заряд конденсаторов 9, 10 накапливается, и в конце серии напряжение на выходе транзистора 20 оказывается пропорциональным разностному току намагничивания

материала изделия, т, е. магнитной пропорциональности материала. По сигналу с выхода 46 блока управления 27 напряжение коллектора транзистора 20 заносится в ячейку выборки и хранения 26 (или преобра- зуется в цифровой код, если используется АЦП), и на выходе 39 появляется напряжение (или цифровой код), однозначно определяющее величину магнитной проницаемости изделия. Формула изобретения Устройство для измерения электрической проводимости и магнитной проницаемости, содержащее два проводника, образующих индуктивности, отличаюице- е с я тем, что, с целью повышения точности, в него введены последовательно соединенные блок управления и формирователь импульсов напряжения прямоугольной формы, вычитающий трансформатор, две пары усилительных транзисторов, два накопительных конденсатора, три пары управляемых ключей, четыре генератора тока, два истоковых повторителя на полевых транзисторах, два выходных транзистора и две ячейки выборки и хранения, причем выход формирователя соединен с началами двух проводников, концы которых подключены к двум выводам первичной обмотки трансформатора, средняя точка которой подклю- чена к общей шине, с которой через резисторы соединены первый и второй выводы вторичной обмотки трансформатора, соединенные также с базами соответственно первого,четвертого и второго и третьего усилительных транзисторов, эмиттеры первого, второго третьего и четвертого транзисторов попарно объединены и через первый и второй ключи соединены с выходом первого генератора тока, вход которого под-

ключен к первой шине питания, попарно объединенные коллекторы первого, третьего и второго, четвертого усилительных транзисторов соединены с затворами соответственно первого и второго полевых транзисторов, подключены к первому и второму накопительным конденсаторам, вторые выводы которых соединены с общей шиной через третий и четвертый ключи, соединены с второй шиной питания и через пятый и шестой ключи подключены к выходам BTopojQ и третьего генераторов тока, входы которых соединены с второй шкной питания, с которой соединены стоки первого у второго полевых транзисторов, истоки которых через первый и второй нагрузочные резисторы соединены с общей шиной и подключены к базам первого и второго выходных транзисторов, эмиттеры которых через разделительные резисторы подключены к выходу четвертого генератора тока, вход которого соединен с второй шиной питания, коллекторы выходных транзисторов через третий и четвертый нагрузочные резисторы соединены с первой шиной питания, коллектор второго выходного транзистора соединен с информационными входами первой и второй ячеек выборки и хранения, выходы которых соединены с первым и вторым выходами устройства, управляющие входы первого и второго ключей соединены соответственно с вторым и третьим выходами блока управления, попарно объединенные управляющие входы третьего, четвертого, пятого и шестого ключей соединены соответственно с четвертым и пятым выходами блока управления, шестой и седьмой выходы которого соединены с управляющими входами соответственно первой и второй ячеек выборки и хранения.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовало для контроля токопроводящих и магнитных материалов Цель изобретения - достигается введением блока 27 управления, формирователя 1 импульсов напряжения прямоугольной формы, вычитающего трансформатора 4, двух пар усилительных транзисторов 5, 6 и 7.8, двух накопительных конденсаторов 9, 10, четырех генераторов 21-24 тока, двух истоковых повторителей 17,18 на полевых транзисторах, двух выходных трансформаторов 19, 20 и двух ячеек 25, 26 выборки и хранения. Устройство также содержит два проводника 2, 3, образующих индуктивности, шесть управляемых ключей 11-16. Зил.

3

Фи21