Устройство для измерения величины удельной электрической проводимости электропроводящих изделий Советский патент 1991 года по МПК G01R27/02 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике, может быть использовано для измерения величины удельной электрической проводимости электропроводящих изделий и является дополнительным к авт.св. № 1583828.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет обеспечения измерений величины зазора между вихретоковым преобразователем и электропроводящим изделием и обеспечение индикации допустимой величины электропроводности электропроводящего изделия.

На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема устройства для измерения величины удельной электрической проводимости электропроводящих изделий; на фиг. 2-4 приведены графики, поясняющие работу изобретения.

Устройство для измерения величины удельной электрической проводимости электропроводящих изделий содержит первый 1, второй 2 и третий 3 генераторы переменного тока, выходы которых независимо, раздельно подключены к трем входам первого коммутатора 4, второй коммутатор 5, последовательно соединенные вихретоко- вый преобразователь (ВТП) 6 с возбуждающей катушкой 7 и измерительной катушкой 8. усилитель 9 и амплитудный детектор 10, выход которого подключен к коммутатору 5, генератор 11 тактовых импульсов, выход которого подключен к управляющим входам коммутаторов 4 и 5, первый 12, второй 13, третий 14 блоки памяти, входы которых независимо, раздельно подключены к трем выходам коммутатора 5, первый 15, второй 16, третий 17, четвертый 18 блоки вычитания, первый масштабный преобразователь 19, блок 20 деления, первый вход которого подключен к выходу первого блока 16 вычитания, выход которого последовательно соединен с вторым масштабным преобразователем 21, экспоненциальным функциональным преобразователем 22 и первым индикатором 23, выход третьего блока 18 вычитания соединен с входом блока 24 управления и с входом первого компаратора 25, к выходу которого подключен второй индикатор 26, который представляет собой световой индикатор, например светодиод зеленого свечения, а также первый регулируемый источник 27 опорного напряжения, последовательно соединенные второй регулируемый источник 28 опорного напряжения, первый блок 15 вычитания, регулируемый масштабный преобразователь 29, третий коммутатор

30(ключ) и блок 31 сложения, выход которого подключен к второму входу второго блока 16 вычитания, выход третьего блока 17 вычитания подключен к второму входу блока

20 деления и к второму входу блока 15 вычитания, а выход источника 27 опорного напряжения подключен к второму входу блока

31сложения, а также последовательно соединенные аппроксиматор 32, вход которого

0 подключен к выходу первого блока 15 вычитания, и третий индикатор 33, последовательно соединенные третий источник 34 опорного напряжения, второй компаратор 35 и реле 36, причем второй вход второго

5 компаратора 35 подключен к выходу апп.- роксиматора 32.

Выход блока 24 управления подключен к управляющим входам генераторов 1-3, выход первого блока 12 памяти соединен с

0 первым входом блока 16 вычитания и через масштабный преобразователь 19 - с первым входом блока 18 вычитания, выход второго блока 13 памяти подключен к второму входу блока 18 вычитания и к первому входу

5 третьего блока 17 вычитания, выход третьего блока 14 памяти подключен к второму входу блока 17 вычитания и к третьему входу блока 18 вычитания, выход коммутатора 4 подключен к возбуждающей катушке 7, а

0 измерительная катушка 8 подключена к входу усилителя 9.

Устройство для измерения величины удельной электрической проводимости электропроводящих изделий работает сле5 дующим образом.

Генератор 11 тактовых импульсов вырабатывает пилообразные импульсы. Каждый из коммутаторов 4 и 5 содержит аналого- цифровой преобразователь (АЦП), на вход

0 которого подаются пилообразные сигналы с генератора 11, дешифратор, входы которого подключены к выходу АЦП. и три ключа (полевые транзисторы). В коммутаторе 4 шесть выходов дешифратора соединены попарно

5 и подключены независимо к управляющим входам трех ключей, а в коммутаторе 5 к управляющим входам трех ключей подключены независимо четные выходы (2,4 и 6 выходы) дешифратора. Благодаря этому в

0 течение одного периода сигнала с выхода генератора 11 в коммутаторах 4 и 5 будут последовательно замыкаться первый, второй и третий ключи, причем размыкание соответствующих ключей в коммутаторах 4 и 5

5 будет происходить одновременно, а замыкание ключей в коммутаторе 5 будет происходить с задержкой во времени относительно замыкания ключей коммутатора 4, что.устраняет влияние переходных процессов. С помощью первого, второго и

третьего ключей коммутатора 4 к катушке 7 подключаются генераторы 1 3 соответственно, а с помощью первого, второго и третьего ключей коммутатора 5 выход детектора 10 подключается к блокам 12-14 памяти соответственно.

Генераторы 1-3 синусоидального тока работают с частотой (о . с п и од ( соответственно, где п 1. Выходное напряжение U измерительной катушки 8 усиливается усилителем 9 и выпрямляется амплитудным детектором 10. Таким образом, в первом такте (замкнуты первые ключи) в блоке 12 памяти запоминается величина усиленного напряжения катушки 8 U1, полученная при частоте возбуждающего тока (О во втором такте (замкнуты вторые ключи) в блоке 13 памяти запоминается величина U2, полученная при частоте возбуждающего тока (ify а в третьем такте (замкнуты третьи ключи) в блоке 14 памяти запоминается величина 11з, полученная при частоте возбуждающего тока а% За один период сигнала с генератора 11 проводится три такта измерения U. Согласно теории вихретоковых преобразователей (ВТП). величина относительной амплитуды ВТП U U/Uo, где Do - амплитуда ВТП в воздухе (ft О),при установке ВТП над проводящим полупространством будет зависеть от абсолютного значения двух обобщенных параметров ft и а , где ft Va//0 о а - 2H/R ; R - радиус большей катушки ВТП, м; о- удельная электрическая проводимость, см/м; at- круговая частота тока возбуждения, Гц; fi0 - магнитная постоянная

(«о 4л 10 Гн/м); Н - зазор между ВТП и проводящим изделием, м.

Для аппроксимации реальной зависимости U f (/Т) используется выражение вида

U a0 + ai In ft(1)

где а0, ai - коэффициенты , справедливость которого подтверждают зависимости U f ( ln ft) изображенные на фиг. 2 (они построены по известным зависимостям для ВТП с величиной у r/R 0,75, где г - радиус меньшей катушки).

Для работы на линейном участке зависимости U f (In/3) изменяют ом (и соответственно 0)2 и при этом изменяется величина/) до выполнения равенства 2Ui U2-U3 0, при этом зависимость U f(ln/J) описывается выражением (1), так как величина 2Ui-U2 U3 пропорциональна величи- #U

не

Э(ВД:

,2

Чтобы выражения, справедливые для величины U , были верны и для величин Ui, U2 и Уз. амплитуды токов генераторов 1-3 выбирают таким образом, чтобы величина 5 U0 была одинакова при возбуждении ВТП 6 токами с частотами а) , (л , и .

Процесс измерения состоит из двух этапов: калибровки и собственного измерения.

10 Блок 24 управления в одном из вариантов состоит из последовательно соединенной кнопки (вход блока 24 управления), усилителя и микродвигателя, который вращает час- тотозадающие резисторы генераторов 1-3.

5В процессе калибровки оператор устанавливает без зазора () ВТП б на эталонное изделие с известной величиной а - сгэт и замыкает кнопку блока 24 управления. Блок 24 управления будет одновременно

0 изменять частоты генераторов 1-3 до тех пор, пока на выходе блока 18 вычитания не установится нулевое напряжение. Коэффициент преобразователя масштабного преобразователя 19 выбирается равным двум,

5 поэтому в установившемся режиме будет соблюдаться равенство 2Ui-U2-U3 0. Это означает справедливость выражения f1).

В момент нулевого напряжения на вы- 0 ходе блока 18 вычитания (2Ui-U2 U3 0) сработает компаратор 25 и индикатор 26 загорится (будет светиться светодиод зеленого свечения). Это будет означать, что устройство работает в установившемся 5 режиме и в дальнейшем частоты ш . (1% , и OJ3 . не будут меняться, при этом в блоках 12-14 памяти будут соответственно храниться величины Ui, U2 и Кз. Ui а0 + ailn/ 3T . -) 0и2 ао-f-ailnf/ Vn). 1

Уз а0 -f ailn (/Зэг /Vn ). где Дн R Vr/7i //о Ът , J а с выхода блока 17 вычитания на второй вход блока 20 деления будет поступать величина U2 - Уз ailrj n. После загорания индикатора 26 оператор размыкает кнопку блока 24 управления, размыкает коммутатор 30, если он был замкнут, калибрует устройство, изменяя величину напряжения регулируемого источника 27 опорного напряжения Ucn 1 до тех пор пока индикатор 23 не будет показывать величину, равную величине№г При этом на первый вход блока 20 деления будет поступать сигнал Ui - Uon.i, а с выхода масштабного преобразователя 21. коэффициент преобразования кото- рого равен 2ln п. на вход экспоненциального функционального преобразователя 22 будет поступать сигнал

5

0

5

(2)

Ui -Uon.l

2ln п. Так как индикатор 23 поU2 -из казывает величину аэт то имеем равенство

t.1..-1 ян nj

U2-U3(3)

Решая систему уравнений (2), получим

.«

С учетом этого и выражения для /3 имесоздает зазор Д Hi в диапазоне его возможного изменения в процессе контроля.

После изменения величины мешающего параметра оператор изменяет коэффициент передачи S регулируемого масштабного преобразователя 29 до тех пор, пока индикатор 23 не будет показывать величину, равную величине Оэт. При этом в блоках 12-14 памяти будут соответственно храниться величины L)4, Us и Ue. равные

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения величины удельной электрической проводимости в электропроводящих изделиях. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет обеспечения измерения величины зазора между вихретоковым преобразователем и электропроводящии изделием и обеспечение индикации допустимой величины электропроводности электропроводящего изделия. Устройство содержит генераторы 1 - 3 переменного тока, коммутаторы 4, 5, вихретококовый преобразователь 6, возбуждающую катушку 7, измерительную катушку 8, усилитель 9, амплитудный детектор 10, генератор 11 тактовых импульсов, блоки 12 - 14 памяти, блоки 15 - 18 вычитания, масштабный преобразователь 19, блок 20 деления, экспоненциальный функциональный преобразователь 22, индикаторы 23, 26, 33, блок 24 управления, компаратор 25, источники 27, 28 опорного напряжения, регулируемый масштабный преобразователь 29, коммутатор 30, блок 31 сложения, аппроксиматор 32, источник 34 опорного напряжения, компаратор 35, реле 36. Особенностью изобретения является введение аппроксиматора 32 и индикатора, соединенных последовательно, а также источника 34, опорного напряжения последовательно соединенного с компаратором 35 и реле 36, причем вход аппроксиматора 32 соединен с выходом блока 15 вычитания, а второй вход компаратора 35 соединен с выходом аппроксиматора 32. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

ем

(4)

где М -ln (R //ouJi).

Из анализа выражений (4) и (3) видно, что

Uon.i-ao-M (5)

После таких операций оператор замыкает коммутатор (ключ) 30 и изменяет величину выходного напряжения второго регулируемого источника 28 опорного напряжения -Uon 2 до тех пор, пока индикатор 23 не будет показывать величину аэт.

Так как величины Ui, 1)2 и Уз не изменились, то показание индикатора 23 сг аэт будет в том случае, если с выхода блока 31 сложения будет по-прежнему поступать на вход блока 16 вычитания сигнал, равный Uon.1 (см.выражение (3)). Для этого с выхода коммутатора 30 должен поступать на вход блока 31 сложения сигнал, равный нулю, т.е. на оба входа блока 15 вычитания должны поступать одинаковые сигналы, поэтому Uon.2 ailn n. В дальнейшем величины Uon.2 и Uon 1 не изменяют и блоки 27 и 28 служат как бы блоками памяти значений опорных напряжений.

Величину коэффициента ai, определенную с помощью величины U2-U3, в дальней- шем используют для измерения относительной величины удельной электрической проводимости контролируемого материала. Однако под воздействием мешающих параметров контролируемого изделия - зазора Н, величины коэффициентов ai и а0 могут существенно измениться. В устройстве и в прототипе величины коэффициентов ai и BQ, найденные в процессе калибровки, корректируются в зависимо сти от величины изменения мешающего па раметра контролируемого изделия. Для этого оператор, не убирая вихретоковый преобразователь 6 с эталонного образца,

-

а0 +ai .

Us Эо 4-31 In (эт VfT) .

Ue a0 +ai In (/Ъп /Vn ) ,

(6)

где а0, ai - величины коэффициентов а0 и ai при Н Д Hi .

Так как на второй вход блока 20 деления поступает величина , то с учетом (3) имеет:

o U5

2 nnl

и

(hi е и(7)

где U - напряжение на выходе блока 31 сложения.

Учитывая выражение (4), получим

С„-е

и,-ч,

(8) Из анализа выражений (7) и (8) видно.

что

.m

Если считать, что коэффициент переда- ос чи отдельных блоков, входящих в устройство, не изменяются в процессе контроля, то при изменении мешающего параметра на величину A Hi . коэффициенты а0 и ai изме- няются на величины Да0 СоДН1И 40 Д 3i Ci Д Hi а поэтому можно записать а0 а0 + Да0 а0 4 Со A Hi , (10) ai ai 4 Aai ai 4 Ci AHi , (11)

Да0 Aai Aai К ,(12)

45 где Co, Ci, k C0/Ci - коэффициенты пропорциональности.

Так как на первый и второй входы блока 15 вычитания поступают величины и и5 ибсоответственно, а на второй вход бло- 50 ка 31 сложения поступает величина Uon 1, то имеем

(U5-U6HU2-U3) S + Uoni U где S - установленное значение коэффициента передачи регулируемого масштабного 55 преобразователя 29.

С учетом (5) и (9) имеем

.о1.-о.

s tu,-u,Hu,-u,r(Ut-u«)-(4i Ull

Полученное выражение с учетом (12) можно записать в виле

.-йОоМ I / i J о Л

a, inn 2t rm

u, En tt

Lnи 1 ла

Таким образом, коэффициент передачи S масштабного преобразователя 29 зависит от величины коэффициента k. В дальнейшем величину S не изменяют.

В процессе этапа измерения вихретоко- вый преобразователь 6 устанавливают на контролируемое изделие, В общем случае величина мешающего параметра Н изменится на величину Л Hz A Hi , а величины ai и ао соответственно на Ла-i иЛа0 при этом в блоках 12-14 памяти будут соответственно храниться величины U, Ua и

U а0 + ai In Л Ue ао + a In (flu Vn) +a1 In ( ) j

где ai , ао величины коэффициентов ai и ао при Н Д hb ,

ai+Aai a i-fCiAH2.(14)

a o э0 + Аа0 а 0 + Aai -К.(15)

R tft(i) (/и .

где Оц- удельная электрическая проводимость материала контролируемого изделия. В процессе измерения на первый вход блока 15 вычитания поступает сигнал , а на его второй вход - сигнал Ue-Ug. С выхода блока 15 вычитания сигнал L(UrU))(Lt24J3)-ai nn-ailnn- Aa i In n (16) поступает на вход масштабного преобразователя 29 с коэффициентом преобразования S. С выхода масштабного

преобразователя 29 сигнал Aai (К ) поступает через коммутатор 30 на первый вход блока 31 сложения, на второй вход которого поступает сигнал

..,. (U2 - U3)

Don i ао - М 2ТгГп

При этом на выходе блока 31 сложения будет сформирован сигнал, равный

U Aa (К-т) + ,гУз).

С учетом (14), (15) и равенства 1)2 n имеем

1 30 -у (Aai +ai)ao - a (17)

Сигнал поступает на первый вход блока 20 деления, на второй вход которого поступает сигнал Us In n. Выходной сигнал бпока 20 деления через второй масштабный преобразователь 21 поступает

на вход экспоненциального функционального преобразователя 22, с выхода которого на индикатор 23 поступает сигнал

.2lnn

2(У7 - U )

3 1

С учетом перпого уравнения системы (13) и выражения (17) сигнал Уинд будет равен . ч ,

10

30

35

40

45

15

Таким образом, индикатор 23 будет показывать искомую величину удельной эдек- трической проводимости материала контролируемого изделия

Для определения величины зазора Н используется сигнал L с выхода блока 15 вычитания, который пропорционален изменению величины коэффициента 20 ai-Aai (см.выражение (16)). Возможность определения величины Н (гг) по изменению величины at (ai - наклон прямолинейных участков зависимости фиг. 2- U -- f (In/) иллюстрирует график на фиг. 3, построенный по тем же данным, что и график на фмг. 2.

Сигнал L поступает на вход аппроксима- тора 32, который учитывает незначительную нелинейность зависимости Аэт р (а)(см.фиг.3). Третий индикатор 33, на нход которого поступает сигнал с выхода аппроксиматора 32,будет показывать величину Н.

Аппроксиматор 32 можно настроить, используя известные зависимости для ВТП, или же путем практической калибровки, для чего после установки величин U0n i, Don 2 и S между ВТП 6 и изделием создают зазоры различной величины (например, подкладывая под ВТП 6 образцовые диэлектрические пластинки), при этом аппрокси- матор 32 настраивают таким образом, чтобы индикатор 33 показывал нужное значение зазора Н.

0

5

Линейная аппроксимация реальной зависимости между изменениями величин ао и ai при изменении Н (см. выражение (12) верна при небольших изменениях Н. С помощью зависимостей (2) и фиг. 3 построена и на фиг. 4 изображена зависимость ао - р (ai) .которая показывает изменение величины ао при изменении Н, выраженное через изменение величины ai Из-за нелинейности реальной зависимости Да0 (Aai) выражение (12) будет справедливо в небольшом диапазоне изменения Н, поэтому в данном устройстве при увеличении Н (а 1,0) появится значительная

погрешность измерения au несмотря на имеющуюся корректировку результата измерения п.

Для того, чтобы исключить измерение величины 7и при больших зазорах, не обеспечивающих нужную точность измерения a устройство снабжено источником 34 опорного напряжения, компаратором 35 и реле 36, контакты которого используются для подачи питающего напряжения на экспоненциальный функциональный преобразо- вател 22. При увеличении Н будет увеличиваться сигнал с выхода аппроксимации 32 и, если величина этого сигнала превысить величину сигнала источника 34 опорного напряжения - иоп.з, то сработает компаратор 35, который запитает обмотку реле 36 током, при этом преобразователь 22 будет обесточен и индикатор 23 будет показывать О.

Нужное значение величины Uon.3 можно получить следующим . образом..После установки величин Uon.1, Uon.2, S и настройки аппроксиматора 32 между ВТП 6 и эталонным изделием увеличивают зазор, при этом появится погрешность измерения а(будут изменяться показания индикатора 23). Зазор увеличивают до тех пор, пока не получат максимально допустимую погрешность измерения о. Величину Uon.3 устанавливают такой, чтобы при полученном зазоре (допустимой погрешности измерения о) сработал компаратор 35, Величину п рекомендуется выбирать равной п 1,3-1,5. В качестве аппроксиматора 32 можно использовать блоки, реализующие кусочно- линейную аппроксимацию.

В качестве индикаторов 23 и 33 можно использовать или стрелочные индикаторы (гальванометры), или цифровые вольтметры.

Если в качестве индикатора 23 используется электронный цифровой вольтметр, то контакты реле 36 могут быть использованы

и

0,8 0,5

М

0.5 1,0 1,5 2,0 2,5 1дР фиг2

для подачи питающего напряжения не на преобразователь 22, а на индикатор 23, при этом экран индикатора (цифры) при больших зазорах просто не будет гореть. Кроме

коррекции результатов измерения Ои при изменении Н в устройстве предусмотрено измерение дополнительного параметра - величины зазора Н. В данном устройстве увеличена достоверность измерения величины атак как в случае возникновения не допустимо большого зазора (например, из- за неплотного прижима ВТП 6 или из-за попадания в зону контроля между ВТП 6 и изделием механических частиц - пыли,

стружки и т.д.) неправильные показания ве.- личины а не выводятся на индикатор 23.

Формула изобретения

электропроводящих изделий по авт.св. № 1583628, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет обеспечения измерений

величины зазора между вихретоковым преобразователем и электропроводящим изделием, в него введены последовательно соединенные аппроксиматор и третий индикатор; причем вход аппроксиматора соединен с выходом четвертого блока вычитания.

третий источник опорного напряжения, выход которого последовательно соединен с первым входом компаратора и реле, экспоненциальный функциональный преобразователь выполнен управляемым, причем

второй вход компаратора соединен с выходом аппроксиматора. а выход реле соединен с управляемым входом экспоненциального функционального преобразователя.

&ю

Oi -0,2

-q

0,1 Q4 0,6

фиг.з

do 1,2

-0,5

о,б

d-0,5

,0

-0,25

Фиг. 4