Устройство для контроля параметров многокомпонентных материалов Советский патент 1992 года по МПК G01N27/04 

Изобретение относится к неразрушающему физическому контролю по частотным изменениям полного сопротивления и может быть использовано для контроля многокомпонентных материалов и сред по форме частотных характеристик резистивных измерительных ячеек, содержащих исследуемый материал или среду. .

Известно устройство контроля параметров многокомпонентных материалов и сред по частотной дисперсии электропроводности, содержащее первый и второй генераторы перестраиваемых частот, балансный1 смеситель, параллельно включенные атте- нюатор и фильтр НЧ, фильтр ВЧ, управляемый переключатель, усилитель-ограничитель, измерительную ячейку, соединенную последовательно с низкоомным шунтом, второй балансный смеситель, избирательный усилитель, настраиваемый на частоту второго исходного сигнала, последовательно включенные с ним амплитудный детектор, усилитель частоты коммутации, фазочувствительный выпрямитель и измерительный прибор. В устройстве,такжесодержатся дифференциальный усилитель, первый вход которого подключен к выходу амплитудного детектора, второй выход - к источнику стабилизированного напряжения, а выход - к управляющему входу избирательного усилителя, а также коммутационный генератор, выход которого подключен к управляющим входам управляемого переключателя и фа- зочувствительного выпрямителя 1.

Недостатком такого устройства является снижение точности измерения при работе в широком частотном диапазоне, связанное с частотными погрешностями избирательного усилителя и амплитудного детектора, работающих во всем диапазоне перестройки частоты второго исходного сигнала. Кроме того, при перестройке частоты генератора второго исходного сигнала могут появиться дополнительные погрешности вследствие неточной подстройки

(Л

С

vj

2

ю

Јь N3

частоты избирательного усилителя, что также снижает точность измерения дисперсии электропроводности и достоверность контроля параметров последуемых материалов и сред.

Известно устройство измерения частотной дисперсии электропроводности широкополосных кондуктометрических ячеек, содержащее генератор опорной частоты и генератор перестраиваемой частоты, которые через аттенюаторы и управляемый переключатель соединены с внутренним электродом коаксиальной проточной ячейки, наружный электрод которой соединен со входом широкополосного преобразователя ток - напряжение, выход преобразователя соединен с сигнальным входом синхронного детектора, управляющий вход которого соединен с выходом переключателя, к выходу синхронного детектора подключены последовательно соединенные усилитель низкой частоты, фэзочувствительный выпрямитель и фильтр низкой частоты, выход которого соединен с управляющим входом одного из аттенюаторов, внутренний (входной) электрод ячег1ки соединен с линейным амплитудным детектором и логарифмато- ром, к выходу которого подключены вторые последовательно соединенные усилитель низкой частоты, фазочувствительный выпрямитель и фильтр низкой частоты, выходом соединенный со входом регистратора, лентопротяжный механизм которого соединен с блоком регулировки частоты генератора перестраиваемой частоты, а управляющий вход переключателя и управляющие входы фазочувствительных выпрямителей подключены к генератору импульсов прямоугольного напряжения 2, В результате плавной перестройки испытательной частоты и наличия дисперсии электропроводности измерительной ячейки изменяется выходное постоянное напряжение, которое регистрируется и отображает дисперсионную характеристику ячейки.

По экстремальным значениям дисперсионной частотной характеристики судят о концентрации различных компонент в исследуемой среде, а по времени регистрации (текущей частоте), соответствующему очередному экстремуму характеристики, -о хи- мическом или биологическом составе регистрируемой компоненты.

Однако известному устройству присущи следующие недостатки:

- измеряются частотные изменения только активной составляющей полного сопротивления, неконтролируемые изменения реактивной составляющей

обуславливают большие погрешности в определении частотных изменений полного сопротивления;

-при сравнении активных составляю- щих токов ячейки на опорной и испытательной частотах неизбежны дополнительные частотные погрешности, вносимые преобразователем ток-напряжение и синхронным детектором, имеющими собственные

0 неравномерные частотные характеристики;

-операция логарифмирования позволяет выделить сигнал, пропорциональный относительному частотному изменению, только при его малых значениях, при боль5 ших относительных изменениях возникает большая методическая погрешность;

-при исследовании высокоомных материалов и сред возникают трудности в выде- льнии сигнала, пропорционального

0 разности малых токов разных частот, предварительное усиление на разных частотах неизбежно искажает отношение амплитуд разных частотных сигналов.

Целью изобретения является повыше5 ние точности контроля за счет исключения частотной погрешности вносимой схемными элементами.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для контроля параметров мно0 гокомпонентных материалов, содержащее источник постоянного опорного напряжения, регулируемый по частоте источник переменного напряжения, резистивную измерительную ячейку, первый переключа5 тель, первый преобразователь ток-напряжение, амплитудный детектор, фильтр низкой частоты, фазочувствительный выпрямитель, интегратор, регистратор, генератор прямоугольных импульсов, делитель

0 напряжения, причем выход источника переменного напряжения через первый переключатель, а выход источника постоянного опорного напряжения через делитель напряжения и первый переключатель соеди5 нены с резистивной измерительной ячейкой, амплитудный детектор, фильтр низкой частоты, фазочувствительный выпрямитель, интегратор и регистратор соединены последовательно,- регистратор одним

0 выходом кинематически соединен с входом регулировки частоты источника переменного напряжения, а выход генератора прямо- угольных импульсов соединен с управляющими входами первого переклю5 чателя и фазочувствител ьно го в ы п ря мител я, введены дополнительно элементы, включенные следующим образом:

- второй преобразователь ток-напряжение, три переключателя, безреактивный резистор, блок умножения;

-выход источника переменного напряжения через второй переключатель, а выход источника постоянного опорного напряже- ния через делитель напряжения и второй переключатель соединены с безреактивным резистором;

-резистивная измерительная ячейка через четвертый переключатель, а безреактивный резистор через третий переключатель соединены с первым и вто- рым преобразователями ток-напряжение ;

-выходы первого и второго преобразователей ток-напряжение соединены соответственно с первым и аторым входами блока умножения выход которого соединен

с амплитудным детектором;

-регистратор вторым выходом кинематически соединен с регулирующим входом делителя напряжения;

-все переключатели управляющие входами соединены с генератором прямоугольных импульсов,

Схема предлагаемого устройства представлена на чертеже.

Устройство включает источник 1 постоянного опорного напряжения, источник 2 переменного напряжения испытательной частоты, делитель 3 постоянного напряжения, состоящий из регулируемого реохорда 4 и постоянных резисторов 5 и 6, первый и второй переключатели и 8, резистивную измерительную ячейку 9, безреактивный резистор 10, третий и четвертый переключатели 11 и 12, преобразователи ток-напряжение 13 и 14, блок умножения

15,амплитудный детектор 16, фильтр 17 низкой частоты, фазочувствительный выпрямитель 18, интегратор 19, регистратор

20 и генератор 21 прямоугольных импуль- сов.

Источник 1 постоянного напряжения через делитель 3 напряжения соединен с одними противоположными входами переключателей 7 и 8, другие противоположные входы которых соединены с источником 2 переменного напряжения. Выходы переключателей 7 и 8 через измерительную ячейку 9 и безреактивный резистор 10 соединены с входами переключателей 11 и 12, противоположные выходы которых соединены между собой. К противоположным выходам переключателей 11 и 12 через преобразователи ток-напряжение 13 и 14 подключены входы блока умножения 15, к выходу которого подключены последовательно соединенные амплитудный детектор

16,фильтр 17, низкой частоты, фазочувствительный выпрямитель 18, интегратор 19, и регистратор 20, лентопротяжный механизм

которого кинематически соединен с блоком регулировки частоты источника 2. Пишущий механизм регистратора 20 кинематически соединен с движком реохорда 4 делителя 3 напряжения, соединенного с выходом источника 1 постоянного напряжения и нагруженного на постоянные резисторы 5 и 6 . Управляющие входы переключателей 7, 8, 11, 12 и управляющий вход фазочувстви- тельного выпрямителя 18 подключены к выходу генератора 21 прямоугольных импульсов.

Устройство работает следующим образом.

На резистивную измерительную ячейку, содержащую контролируемый материал или среду, при помощи переключателя 7 поочередно воздействуют с низкой частотой ком- мутации Q пакетами опорного и зондирующего напряжений. Пакеты опорного напряжения формируются из постоянного напряжения источника 1. регулируемого делителем 3:

(1+yi)U0,(1)

где Ki - коэффициент передачи делителя напряжения;

71

AKi Кь

- относительное изменение

регулируемого напряжения.

Пакеты зондирующего напряжения формируются из переменного напрях.ения источника 2

U2 Um (1 +У2) Sin (u)t ),(2)

где Jm, амплитуда, частота и фаза колебаний;

У2

AUH

Ur

относительное изменение

зондирующего напряжения при регулировке его частоты.

Испытательную частоту (а изменяют в заданном частотном диапазоне ( +Шмакс), а частоту коммутации выбирают в 10 + 20 раз меньше минимальной частоты испытательного напряжения( Q

мин

10+20j

В один полупериод коммутации Т через ячейку протекает постоянный

ток, значение которого определяется ее омическим сопротивлением

, (1 + yi)U0,

11 RiRi

где Ri - омическое сопротивление измерительной ячейки,

В другой полупериод коммутации

л

протекает переменный ток, зависящий от полного сопротивления ячейки

I - U2 - Um(1 + Г2) у Ь-Г Ri(1+ys) X

Xsin (tot + $o-fA i),

где2- ки,

модуль полного сопротивления ячейУ3

Z-Ri AZ(o)

относиRi Ri тельное частотное изменение модуля полного сопротивления;

- дополнительный фазовый сдвиг, возникающий из-за наличия реактивной составляющей сопротивления ячейки.

При помощи переключателя 11 коммутируют токи И и 2 на входы преобразователей 13 и 14, на выходах которых получают напряжения вида:

(1+yi)KiK2 (1+У4)12

Uo Ri

Кз(1 +У4) м + }х Ri(1 + W) 11

XUm sin (on+y + A pi+Дда), (6)

где К2 и Кз- коэффициенты преобразования постоянного и переменного токов в напряжение;

ДКзО)

У4 „- относительная часКз

тотная погрешность преобразования тока испытательной частоты в напряжения,

A дополнительный фазовый сдвиг, вносимый в процессе преобразования тока в напряжение.

Одновременно при помощи переключателя 8 пакетами постоянного и переменного напряжений, но с противоположной последовательностью и противоположным регулированием изменения постоянного напряжения, воздействуют на безреактивный резистор с сопротивлением R2, равным омическому сопротивлению ячейки (R2 ). В результате этого через безреактивный резистор в полупериод коммутации т протекает переменный ток

|,У 13 R2

Um

R2 Xsin (ot +90),

(1

а в полупериод коммутации TI - постоянный ток

U

Ki(1 -yi)

R2

Uc

(8)

5 Аналогичным образом, производя коммутацию переключателем 12, токи з и А преобразуют в пакеты пропорциональных напряжений:

10

15

20

25

30

35

40

45

U5 K3(1+y4)(1R2+) X

XUm(1 +J)sln(Wt+0),(9)

Ue K2l4 Ki(1 -У1)(10)

Переключатели работают таким образом, что на вход преобразователя 13, выполненного на операционном усилителе с параллельной обратной связью, воздействуют только постоянные токи, протекающие через измерительную ячейку 9 и безреактивный резистор 10, которые после преобразования в пропорциональные напряжения поочередно воздействуют на один вход блока умножения 15. На второй преобразователь 14 воздействуют соответственно только переменные токи, протекающие через безреактивный резистор 10 и измерительную ячейку 9, и на второй вход блока 15 умножения воздействуют только переменные напряжения, пропорциональные токам.

Далее перемножают пакеты постоянного напряжения Us с пакетами переменного напряжения Us, а пакеты переменного напряжения U4 перемножают с пакетами постоянного напряжения Ue. В результате на выходе блока умножения 15 в прлупериод Сформируются пакеты переменного напряжения испытательной частоты а

(1 +y5)U3U5 Si(1 +ys)X

XKl (1 +yi)K2(1 +У2) X Кз (1 + y4)X UbUm

X

R2

sin(wt +(p).

(11)

где Si - крутизна (чувствительность) множительного преобразования; ASi(u))

относительное частотное

изменение крутизны преобразования,

В полупериод ъг формируются пакеты переменного напряжения той же частоты а)

55 „ U8 Si(1 +ye)U4U6

Si (1 +ys) KI (1 -yi)K2 (1 +yz)K3 О +У4)х

XUUm

R2(1 +Уз)

sin(wt +9 + + ), (12)

При непрерывной работе переключателей 7, 8, 11 и 12, которые управляются прямоугольными импульсами напряжения генератора 21, пакеты переменных напряжений U и Us с выхода блока 15 умножения поочередно детектируются амплитудным детектором 16.

(1 + ye)U7

5е(1 +343)81(1 + ys)Ki(1 + yi)x

хКгО+хОКзО+УЮ 1,(13)

R

Цю S2 (1 + уе) Us S2 (1 + ye)Si(1 +ys

XKl(1 -У1)К2(1 +У2)К3(1 + У4) UoUmГ14-,

R20+ya) ()

где S2 - крутизна амплитудного детектирования.

Уб

AS2

- относительная частотная погрешность детектирования.

Из выпрямленных пакетов напряжений Ug и Uio фильтром низкой частоты 17 выделяют переменное напряжение частоты коммутации

Un К4

Iho-Ug

signsin(Ј2t +Ф) (15)

где К/1 - коэффициент передачи фильтра низкой частоты,

sign sin Q t - прямоугольная огибающая пакетного напряжения;

Ф- фаза огибающей, зависящая от знака относительного частотного изменения полного сопротивления ячейки.

Напряжение Un частоты коммутации выпрямляютфазочувствительным выпрямителем и получают постоянное напряжение вида

U12 S3K4S2(1 + Уб)81(1 +Уь)К1К2(1 +У2)Х

хКз(1 + У4) fryJ-O +Jt),OS)

где 5з крутизна фазочувствительного выпрямителя.

Выпрямленное напряжение заряжает интегратор 19, выходное напряжение которого воздействует на регистратор 20. Дви- гатель лентопротяжного механизма регистратора 20 одновременно с протяжкой диаграммной бумаги перестраивает частоту переменного напряжения источника 2. В результате плавной перестройки испытательной частоты и проявления частотной дисперсии сопротивления измерительной ячейки 9 изменяется напряжение на выходе фазочувствительного выпрямителя 18 и соответственно на выходе интегратора 19. Из

, 5

1°

15

20

25

30

35

40

45

50

55

1 +yi)o,

УЗ

(17)

(18)

мерительный механизм регистратора 20 кинетически связан с движком расхода 4, перемещение которого относительно среднего положения определяет относительные изменения постоянных напряжений, подаваемых соответственно на измерительную ячейку 9 и безреакгивный резистор 10. Движком реохорда устанавливается в положение, соответствующее нулевому значению сигнала на выходе фазочувствительного выпрямителя 18, т. е. Ui2 0. Приравнивая выражение (16) к нулю, получаем

1 + УЗ

отсюда имеем 2yi 1 + У1

Для малых частотных изменений модуля полного сопротивления ячейки )з (ГУ) « 1) выражение (18) упрощается

yj(Јu)«-2yi..О9)

При этом выходное напряжение, сохраняемое интегратором 19, регистрируется и поддерживает положение движка реохорда в соответствии с условием (17). Регистрируя относительные изменения коэффициента передачи делителя напряжения yi в цепи постоянного напряжения при медленных изменениях испытательной частоты а) в диапазоне - сомакс определяют частотную характеристику ячейки в этом диапазоне частот и ее экст ремапьные значения. По экстремальным значениям частотной характеристики полного сопротивления измерительной ячейки судят о концентрации различных компонентов в исследуемом материале или среде. По текущему значению испытательной частоты, соо ветствую- щему перемещению диаграммной ленты, и положениям очередных экстремумов на ленте судят о химическом или биологическом составе регистрируемых компонент. При этом результат измерения не зависит от величины сопротивления ячейки R, которая определяется количеством анализируемого вещества и температурой, а также не зависит от непостоянства амплитуды или мощности колебаний испытательной частоты при изменении последней ( у2 ). неравно- мерностей частотных характеристик преобразователей переменного тока в напряжение ( уз), множительного преобразователя (уз) и амплитудного детектора ( ув )

Благодаря перемножению пакетов постоянного напряжения с пакетами переменного напряжения и последующему амплитудному детектированию наряжений одной и той же частоты обеспечиается получение информации о частотных зменениях модуля полного сопротивления змерительной ячейки независимо от соотношения активной и реактивной составляющих ее полного сопротивления и частотных погрешностей блоков измерительной схемы. Исключено также влияние фазовых сдвигов, вносимых ячейкой, на точность измерения частотных изменений модуля полного сопротивления.

Полное сопротивление измерительных ячеек с водными растворами диметилфор- мамида на постоянном токе в пределах 10+1000 кОм. В качестве множительного блока использованы интегральные перемножители сигналов типа 525ПС2, автоматические переключатели выполнены на полевых транзисторах типа КП 302Б, В качестве регистратора с управляемым реохордом использован самописец уровней Н 110. Благодаря исключению влияния собственных частотных изменений преобразователей ток-напряжение, множительного блока, широкополосного усилителя и детектора возможно обнаружение и регистрация малых относительных частотных изменений полного сопротивления измерительной ячейки начиная с 0,03 + 0,05% с относительной погрешностью не более 0,5+1 %.

Использование предлагаемого устройства контроля параметров многокомпонентных материалов и сред по сравнению с существующими способами обеспечивает следующие преимущества:

1.Повышается достоверность контроля состава и концентрации многокомпонентных материалов и сред за счет повышенияточностиопределенияотносительной неравномерности частотных характеристик измерительных рези- стивных ячеек.

2.Расширяется использование образцовых мер постоянного тока для определения частотных свойств измерительных ячеек с исследуемой многокомпонентной средой в широком диапазоне частот.

3.Результат измерения не зависит от абсолютной величины сопротивления ячейки и от определяющих ее температуры пробы и количества вещества в пробе.

Формула изобретения Устройство для контроля параметров многокомпонентных материалов, содержащее источник постоянного опорного напряжения, регулируемый по частоте источник переменного напряжения, резистивную измерительную ячейку, первый переключатель, первый преобразователь ток-напряжение , амплитудный детектор,

фильтр низкой частоты, фазочувствитель- ный выпрямитель, интегратор, регистратор, генератор прямоугольных импульсов, делитель напряжения, причем выход источника переменного напряжения через первый переключатель, а выход источника постоянного опорного напряжения через делитель напряжения и первый переключатель, соединены с резистивной измерительной ячейкой, амплитудный детектор, фильтр низкой

частоты, фазочувствительный выпрямитель интегратор и регистратор соединены последовательно, регистратор одним выходом кинематически соединен с входом регулировки частоты источника переменного напряжения, а выход генератора прямоугольных импульсов соединен с управляющими входами первого переключателя ифазочувствительного выпрямителя, отличающееся тем, что, с целью

повышения точности за счет исключения частотной погрешности, вносимой схемными элементами, оно дополнительно содержит второй преобразователь ток-напряжение, три переключателя, безреактивный резистор, блок умножения, причем выход источника переменного напряжения через второй переключатель, а выход источника постоянного опорного напряжения через делитель напряжения и второй переключатель соединены с безреактивным резистором, резистивная измерительная ячейка через четвертый, а безреактивный резистор через третий переключатель соединены с первым и вторым преобразователями ток5 напряжение, выходы первого и второго преобразователей ток-напряжение соединены соответственно с первым и вторым, входами блока умножения, выход которого соединен с амплитудным детектором, регистратор

0. вторым выходом кинематически соединен с регулирующим входом делителя напряже- ния, а все переключатели управляющими входами соединены с генератором прямоугольных импульсов.

5

79

ft

Использование: неразрушающий контроль материалов. Сущность изобретения: устройство содержит источник опорного напряжения, регулируемый по частоте источник переменного напряжения, резистивную измерительную ячейку, переключатели, преобразователи ток-напряжение, амплитудные детектор, фазочувствительный выпрямитель, интегратор, генератор прямоугольных импульсов, делитель напряжения, блок умножения. 1 ил.

20

L

t

Я

/7

/6