Устройство для измерения линейной плотности волокнистых материалов Советский патент 1993 года по МПК G01B7/08 

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в текстильной промышленности.

Известно устройство, имеющее возможность применения для измерения линейной плотности волокнистых материалов, состоящее из высокочастотного генератора, оконечного каскада, регистрирующего прибора. Высокочастотное напряжение, возбуждаемое генератором, поступает на делитель, одним плечом которого является емкостной датчик, в рабочем зазоре которого располагается контролируемый волокнистый материал Измерения линейной плотности волокнистого материала приводят к изменениям емкостного сопротивления датчика, что в свою очередь вызывает соответствующие изменения падения напряжения на нем. Напряжение, снимаемое с датчика, усиливается, выпрямляется и поступает на оконечный каскад. Регистрирующий прибор будет фиксировать выходное

напряжение оконечного каскада, которое будет пропорционально изменениям контролируемого параметра. Недостатком известного устройства является невысокая точность измерения, которая обусловлена влиянием на параметры измерительного преобразователя таких дестабилизирующих факторов, как изменения влажности и температуры окружающей среды. Кроме того, участие в измерительном процессе такого неконтролируемого параметра, как влагосодержэние волокнистого материала также в значительной мере сказывается на результате измерения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство для измерения линейной плотности волокнистых материалов, основанное на мостовом методе измерения. Указанное устройство содержит питающий генератор, измерительный трансформаторный мост,

СП

С

Ч

чэ

ON О

СЛ N)

СА

имеющий в качестве чувствительного элемента трехэлектродный конденсатор, и в измерительную диагональ которого включен усилитель, выход которого соединен с первыми входами двух фазочувствительных выпрямителей, чьи выходы в свою очередь подключены соответственно к первому и второму входу вычислительного блока. При- (ем, на вторые входы обоих фазочувствительных выпрямителей подаются сигналы от блока формирования квадратурных опорных напряжений, состоящих в свою очередь из блока формирования опорных напряжений и блока фазовращателя.

.Известное устройство построено по схеме так называемого квадратурного корреляционного оптимального измерителя, реализующего определенные алгоритмы и состоящего в основном из вычислительного блока и двух квадратурных корреляторов, работающих от двух ортогональных опорных сигналов. Указанное устройство реализует один из методов выделения полезного сигнала на фоне интенсивных шумов и помех с минимальной ошибкой. В результате обработки смеси полезного сигнала и шума вычислительной блок формирует некоторое решение, определенным образом связанное с полезной информацией. Это решение вычислительного блока, основанное на нахождении функции правдоподобия определяет формирование выходного эффекта измерителя (улучшение отношения сигнал- шум на выходе).

Недостатком этого устройства является то, что при воздействии на его вход такого неконтролируемого параметра, как влагосо- держание, имеющего свойства изменяться в широком диапазоне в реальных условиях протекания технологического процесса, точность измерения контролируемого параметра существенно снижается. При этом на нет сводится вообще целесообразность применения устройства описанной структуры и указанным принципом функционирования,.

Целью изобретения является повышение точности измерения линейной плотности волокнистых материалов за счет исключения влияния неконтролируемого параметра на результат измерения, . . Указанная цель достигается тем, что устройство для измерения линейной плотности волокнистых материалов, содержащее трансформаторный измерительный мост, чувствительный элемент которого выполнен в виде трехэлектродного конденсатора и выход которого через усилитель связан с первыми входами фазочувствительных вы- прямителей, вторыми входами соединенных с выходами блока формирования квадратурных опорных напряжений, выходами - с соответствующими входами блока вычисления линейной плотности материала, а

вход блока формирования квадратурных опорных напряжений связан с выходом генератора высокой частоты, снабжено дополнительным трансформаторным измерительным мостом с трехэлектродным

конденсатором, выход которого объединен с выходом первого измерительного моста, а также блоком формирования квадратурных напряжений питания, входом подключенного к выходу генератора высокой частоты, а

5 выходами.- к входам соответствующих трансформаторных измерительных мостов, при этом трехэлектродный конденсатор каждого измерительного моста выполнен из двух составных электродов и одного общего

0 для обоих конденсаторов цельного электрода. Составные электроды каждого конденсатора выполнены в виде набора нескольких, соединенных между собой секционных элементов, которые в составных

5 электродах как измерительных плеч, так и плеч сравнения измерительных мостов пространственно совмещены в одной плоскости и расположены в чередующемся порядке, Профили секционных элементов,

0 образующих пары составных электродов для каждого конденсатора выполнены с воз можностью обеспечения линейной независимости функций преобразований трансформаторных измерительных мостов.

5 Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков: дополнительного блока формирования квадратур- ных напряжений, дополнительного

0 трансформаторного измерительного моста и их связями с остальными элементами. Кроме того, отличие также состоит в том, что часть электродов конденсаторов выполнена из секционных элементов, форма и про5 странственное расположение которых определены специальным условием, а вычислительный блок выполнен с возможностью реализации определенной функциональной зависимости.

0 Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию Новизна.

Сравнение заявляемого решения с Другими техническими решениями показывает, что трансформаторные измерительные мос5 ты и формирователи квадратурных напряжений широко известны.

Однако при их введении в указанной связи с остальными элементами схемы в заявляемое устройство измерения линейной плотности волокнистых материалов вышеуказанные блоки проявляют новые свойства, что приводит к повышению точности измерения контролируемого параметра. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию Существенные отличия, ; Изобретение поясняется чертежом, на йотором представлена блок-схема устройства для измерения линейной плотности волокнистых материалов. Устройство для измерения линейной плотности волокнистых материалов содержит генератор 1, блок формирования квадратурных напряжений питания 2. блок формирования квадратурных опорных напряжений 3, трансформаторные измерительные мосты 4 и 5, усилитель б, фазочувствительные выпрямители 7 и 8, вычислительное устройство 9.

Выход генератора 1 нагружен на объединенные входы блоков 2 и 3. Первый и второй выходы блока 2 подключены соответственно к входам блоков 4 и 5, общий выход которых через блок 6 соединен с объединенными первыми входами блоков 7 и 8. Выходы блоков 7 и 8 соединены соответственно с первым и вторым входами блока 9. Первый и второй выходы блока 3 соединены в с.вою очередь со вторым входом соответственно блоков 7 и 8.

i Устройство работает следующим обра- Ьом. От питающего генератора 1 гармониче- скйй сигнал поступает на входы формирователя квадратурных напряжений питания 2 и формирователя квадратурных опорных напряжений 3. С первого и второго выходов блока 2 ортогональные гармоническое сигналы поступают на соответствующие входы трансформаторных измерительных мостов 4 и 5, в измери- тельных плечах которых находятся конденсаторы, состоящие их секционных элементов о и , а в плечах сравнения находятся конденсаторы, состоящие из секционных элементов а и а1. В рабочем зазоре измерительных конденсаторов находится исследуемый волокнистый материал. Электрод с для обоих трехэлектродных конденсаторов является общим, а сигнал с него, в состав которого входит и информация о величине контролируемого параметра (полезная информация), усиливается блоком 6 и поступает на входы блоков 7 и 8, Блоки 7 и 8 функционально выполнены в виде синхронных детекторов, опорные напряжения которых представляют собой ортогональные гармонические сигналы, формируемые блоком 3 из поступающего на его вход гармонического сигнала от генератора 1. Блок 3 позволяет обеспечить также попарную коллинеарность соответствующих векторов квадратурных напряжений блоков 4 и 5. На выходе усилителя 6 суммар- ный сигнал можно представить в виде:

US (t) Uislncot + Uiicosa; t + Uuj(t), (1)

где: Uisin cot - электрический сигнал определаемый информацией об исследуемом и неконтролируемом параметрах с первого трансформаторного моста (блок 4);

Uncos о) - электрический сигнал, определяемый полезной информацией об исследуемом и неконтролируемом параметрах со второго трансформаторного измерительного моста (блок 5);

Utu(t) - электрический сигнал, обусловленный наличием белого шума и случайных

помех.

На выходе блока 7 будет выделяться составляющая суммарного сигнала, синфазная питающему напряжению блока 4, которая определяется изменениями линейной плотности X и влагфсодержания Y волокнистого материала, оказывающих влияние на измерительный конденсатор блока 4. А на выходе блока 8 будет выделяться составляющая суммарного сигнала, синфазная питающему

напряжению блока 5, которая определяется изменениями линейной плотности X и влагосодержания Y волокнистого материала, оказывающий также влияние на измерительный конденсатор блока 5.

.Синхронное детектирование составляющих суммарного сигнала позволяет значительно увеличить отношение сигнал-помеха (в десятки раз), и тем самым снизить влия- ние интенсивных шумов и случайных помех на результат измерения до минимума. В общем виде результаты измерения составляющих суммарного сигнала на выходе

соответственно блоков 4 и 5 можно предста-

вить в виде:

50

N 3iX +biY, М Э2Х + b2Y

(2)

где: X - величина исследуемого параметра (линейная плотность контролируемого волокнистого материала);

Y - величина неконтролируемого пара- метра (влагосодержание контролируемого волокнистого материала);

ai.bi и 32,Ьа - коэффициенты статических функций преобразования измерительных каналов, составленных соответственно

на базе первого и второго трансформаторных измерительных мостов. . Коэффициенты статических функций преобразования измерительных каналов определяются предварительно на стадии начальной калибровки устройства, путем воздействия на измерительные конденсаторы определенного набора образцовых мер. Значение вышеуказанных коэффициентов, полученных таким способом, заносятся в вычислительный блок 9 и используются им в дальнейшем для реализации вычислительных процедур,

Компоновка и форма профилей секционных элементов, составляющих электроды измерительных конденсаторов двух трансформаторных измерительных мостов, выполнены таким образом, чтобы обеспечить линейную независимость статических функций преобразования данных трансформаторных мостов и тем рамым обеспечить необходимую асимметрию в соответствующих измерительных каналах, построенных на их базе. Поэтому систему уравнений (2) можно разрешить относительно исследуемого параметра X:

х biM-baJl

3201 - 3102

; Как видно из уравнения (3) функционирование предлагаемого устройства позволяет определять исследуемый параметр по результатам измерений независимо от неконтролируемого параметра Y.

За базовый объект был принят прибор Устер швейцарской фирмы Цельвегер- Устер, который применяется на камвольно- прядильной фабрике т.Токмака для контроля линейной плотности волокнистых

материалов. Данный прибор состоит из двух емкостных датчиков, которые входят в состав колебательных контуров соответствующих двух генераторов, вырабатывающих

переменное напряжение и подобранных так, что первоначальные частоты их колебательных контуров одинаковы, т.е. разностная частота равна 0. Волокнистый материал вводится в рабочий зазор одного из емкостных датчиков. При движении волокнистого материала изменения линейной плотности создают переменную разность частот генераторов, которая регистрируется частотомером.

Предлагаемое устройство по сравнению с базовым объектом имеет следующие преимущества:

1. Структурное построение предлагаемого устройства обеспечивает независи- мость результатов измерения линейной плотности волокнистого материала от влияния ряда дестабилизирующих факторов,

2. Позволяет реализовать эффективное выделение полезного сигнала на фоне ин- тенсивных шумов и случайных помех.

3. Обеспечивает независимость результатов измерения от влияния неконтролируемого параметра (влагосодержание)..

Экспериментальные исследования заявляемого устройства для измерений линей- ной плотности волокнистых материалов показывают, что по сравнению с устройством аналогичного назначения (прототипа) предлагаемое устройство позволяет повысить точность измерения линейной плотности волокнистого материала на 100-150%, открывая при этом возможность эффективной реализации известных методов выделения полезной информации на фоне

интенсивных шумов и случайных помех.

Сущность изобретения: устройство содержит генератор высокой частоты, блок формирования квадратурных напряжений питания, блок формирования квадратурных опорных напряжений, 2 трансформаторных измерительных моста, усилитель, 2 фазочув- ствительных выпрямителя, блок вычисления. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

Формула изобретения 1. Устройство для измерения линейной плотности волокнистых материалов, содержащее трансформаторный измерительный мост, чувствительный элемент которого выполнен в виде трехэлектродного конденсатора и выход которого через усилитель связан с первыми входами фазочувстви- тельных выпрямителей; вторыми входами соединенных с выходами блока формирования квадратурных опорных напряжений, выходами - с соответствующими входами блока вычисления линейной плотности материала, а вход блока формирования квадратурных опорных напряжений связан с

выходом генератора высокой частоты, о т - л и ч а ю щёее я тем, что, с целью повышения точности измерения, оно снабжено дополнительным трансформаторным измерительным мостом с трехэлектродным конденсатором, выход которого объединен с выходом первого измерительного моста, а также блоком формирования квадратурных напряжений питания, входом подключенного к выходу генератора высокой частоты, а выходами - к входам соответствующих трансформаторных измерительных мостов, при этом трехэлектродный конденсатор каждого измерительного моста выполнен из двух составных электродов и одного общего

для обоих конденсаторов цельного электрода.

3. Устройство по пп.1 и 2, о т л и ч а ю - щ е е с я тем, что профили секционных элементов, образующих пары составных электродов для каждого, конденсатора, выполнены с возможностью обеспечения линейной независимости функций преобразований трансформаторных измерительных мостов.