Цифровой электромагнитный толщиномер Советский патент 1993 года по МПК G01B7/06 

3 С/

с

Изобретение относится к средствам электромагнитной толщинометрии и может быть использовано для измерения толщины крупногабаритных неферромагнитных изделий.

Известен цифровой электромагнитный толщиномер, содержащий соединенные последовательно источник постоянного напряжения, первый ключ, полесоздающую катушку и резистор, первую и вторую идентичные катушки индукционного преобразователя, установленные соосно и соединенные последовательно согласно, начало первой катушки соединено с общим проводом, общая точка катушек соединена через последовательно соединенные второй ключ, преобразователь напряжения в интервал времени интегрирующего типа и управляемый, генератор со стробирующим входом стробируемого дешифратора, три выхода которого соединены с тремя входами данных блока вычислителя-индикатора, третий ключ, подключенный параллельно первой катушке, четвертый ключ, подключенный к концу второй катушки и входу преобразователя напряжения в интервал времени интегрирующего типа, соединенные последовательно формирователь сетевого напряжения, делитель, частоты и трехразрядный счетчик тактов, выходы которого подключены к выходам стробируемого дешифратора, преобразователю напряжения в интервал времени интегрирующего типа, входам управления первого, второго и третьего ключа и входам элемента 2И, выход которого соединен с входом управления блока вычислителя-индикатора, а вход управления второго ключа через инвертор соединен с входом управления четвертого ключа.

Недостатком этого толщиномера является низкое быстродействие, так как длительность одного цикла измерений равна

гХв -8рт с,0) где г с - период сетевого питающего напряжения, р т 5/ г с целое;

г s-длительность переходных процессов установления стационарных значений, интегрируемых ЭДС.

Наиболее близким к изобретению является цифровой электромагнитный толщиномер, содержащий полесоздающую катушку. чпервую и вторую идентичные катушки индукционного преобразователя, установленные соосно и соединенные последовательно согласно, первый ключ, соединенный с общей точкой катушек, второй ключ, соединенный с концом второй катушки, третий и четвертый ключи, соединяющие общую точку катушек и начало первой катушки с общим приводом, стробируемый дешифратор, вычислитель с

индикатором, фазочувствительный детектор, соединенный с ним управляющим входом, генератор управляемого напряжения, формирователь, выход которого подключен к одному из входов фазочувствительного детектора, двоичный счетчик, блок элементов

равнозначности, первые входы которых подключены к выходам разрядного двоичного счетчика, кроме старшего, выход которого подключен к вторым входам элементов равнозначности, цифроаналоговый преобразовзтель, входы которого подключены к выходам элементов равнозначности, преобразователь напряжения в ток, вход которого подключен к выходу цифро-аналогового преобразователя, а выход - к полесоздающей катушке, два инвертора, через которые соединены друг с другом управляющие входы первого и второго.третьего и четвертого ключей, и элемент И.

Недостатком этого толщиномера является пониженное быстродействие, так как длительность одного цикла измерения равна

0

5

0

5

0

5

Т2и (р + 6) ТС.

(2)

Целью изобретения является повышение быстродействия и точности измерения.

Цель достигается тем, что устройство снабжено третьим инвертором, пятым и шестым ключами, первым операционным усилителем, вторым операционным усилителем с двумя резисторами, аналого-цифровым преобразователем последовательного приближения, тремя накапливающими сумматорами, счетным триггером, вторым элементом И, управляемым умножителем, двумя управляемыми делителями числа импульсов и одним делителем с постоянным коэффициентом деления, наборным полем, выходы прямого кода наборного поля подключены к управляющим входам умножителя, выходы обратного кода - к управляющим входам обоих управляемых делителей, выходы первого и второго ключей объединены и подключены к неинвертирующему входу первого операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с его выходом, выход генератора управляемого напряжения через первый управляемый делитель числа импульсов подключен к входам счетчика и умножителя, выход которого подключен к входу делителя с постоянным коэффициентом деления, промежуточный оыход которого подключен к входу запуска аналого-цифрового преобразователя и

стробирующему входу дешифратора, а основной выход делителя подключен к второму входу фазочувствительного детектора и входу второго управляемого делителя числа импульсов, выход которого подключен к входам дешифратора и второго элемента И, выход которого подключен к управляющему входу первого ключа, выход младшего разряда второго управляемого делителя подключен к управляющему входу четвертого ключа, выход старшего разряда второго управляемого делителя подключен к счетному входу триггера выход которого подключен к первому входу первого элемента И, к входу третьего инвертора и к управляющему вхо- ду пятого ключа, выход переполнения второго управляемого делителя подключен к второму входу первого элемента И и входу запуска вычислителя, выход первого элемента И подключен к установочному входу счетчика, выход третьего инвертора подключен к управляющему входу шестого ключа, выход первого операционного усилителя подключен через первый резистор к инвертирующему входу второго операционного усилителя, выход которого соединен с этим же входом через второй резистор, выход первого операционного усилителя подключен также через пятый ключ к неинвертирующему входу операционного усилителя, этот же вход через шестой ключ подключен к общей шинз, выход второго операционного усилителя подключен к информационномувходу аналого-цифрового преобразователя, информационные выхо- ды которого подключены к информационным входам трех накапливающих сумматоров, n-й выход дешифратора, соответствующий единицам, подключенным на все его входы, подключен к запускающему входу первого сумматора, (п-й)-й выход дешифратора подключен к управляющему входу второго сумматора, (п-2)-й выход - к управляющему входу третьего сумматора, а (п-З)-й выход дешифратора подключен к входам обнуления,всех сумматоров.

На чертеже представлена блок-схема заявляемого толщиномера, где приняты следующие обозначения:

l(t) - ток полесоздающей катушки;

е;м(г.Т) ез(г,Т) + e4(t,T); esCt.T). ,T) - ЭДС соответствующих катушек;

NI - числовые эквиваленты кодов на выходе АЦП последовательного приближения;

N2i - числовые эквиваленты, соответствующие суммированию во времени; т с - период питающей сети;

г - длительность переходного процесса становления стационарных значений ЭДС.

Толщиномер содержит преобразователь 1 напряжения в ток, нагружений на полесоздающую катушку 2, блок индукционного преобразователя, состоящего из двух идентичных катушек 3 и 4, соединенных последовательно согласно, размещенных на одном каркасе и смещенных одна относительно другой в аксиальном направлении. Начало катушки 3 через ключ 5 соединено с общим проводом, общая точка катушки 3 и 4 через ключ б также соединена с общим проводом, а вход управления ключа 5 через инвертор 7 соединен с входом управления ключа 6. Конец и начало катушки 4 через ключи 8 и 9 соединены с неинвертирующим входом операционного усилителя 10. инвертирующий вход которого соединен с его же выходом. Управляющий вход ключа 9 через инвертор 11 соединен с управляющим входом ключа 8. Выход усилителя 10 через резистор 12 соединен с инвертирующим входом усилителя 13. выход которого соединен через резистор 14 с этим же входом. Выход усилителя 10через ключ 15 соединен с неинвертирующим входом усилителя 13, который через ключ 16 соединен с общим проводом.

Управляющий вход ключа 15 через инвертор 17 соединен с управляющим входом ключа 16. Выход усилителя 13 подключен к информационному входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 18, реализованного, например, на микрорхеме типа 572ПВ1, выходы которого подключены к информационным входам накапливающих сумматоров 19-21, выходы которых, в свою очередь, подключены к информационным входам блока 22 вычислений и индикации. К входам запуска сумматоров 19-21 подключены последний, предпоследний и соседний с ним выходы дешифратора 23 соответственно. Следующий выход дешифратора 23 подключен к входам установки в нуль накапливающих сумматоров 19-21.

Выходы разрядов двоичного счетчика 21, кроме старшего, подключены к первым входам блика 25 элементов равнозначности (сумматоров по модулю 2), число элементов равнозначности в блоке 25 на 1 меньше числа разрядов счетчика 24. Старший разряд счетчика 24 подключен к вторым входам элементов равнозначности блока 25. Выходы элементов неравнозначности блока 25 подключены к входам цифроаналогового преобразователя 26, выход которого подключен к входу преобразователя 1 напряжения в ток.

Выход генератора управляемого напряжением (ГУН) 27 подключен к входу управляемого делителя 28 числа импульсов, в ыход которого подключен к счетному входу счетчика 24 и информационному входу управляемого умножителя числа импульсов (УМН) 29, выход которого подключен к входу делителя 30 числа импульсов, выход старшего разряда которого подключен к информационному входу делителя 31 числа импульсов и первому входу фазочувстви- тельного детектора 32. Выход старшего разряда делителя 31 частоты подключен к счетному входу триггера 33. Выход триггера 33 подключен к управляющему входу ключа и через элемент И 34 - к входу установки в О счетчика 24. Выходы прямого кода наборного поля 35 числа подключены к управ- ляющим входам УМЫ 29, а выходы обратного кода наборного поля 35 - к управляющим входам управляемых делителей 28 и 31 числа импульсов. Выход одного из разрядов делителя частоты 30 подключен к входу запуска АЦП 18 и стробирующему входу дешифратора 23. Источник сетевого напряжения через формирователь 36 подключен к второму входу фазочувствительного детектора 32, выход которого через фильтр .нижних частот (входит в состав. ФЧД 32 и отдельно не показан) подключен к управляющему входу ГУН 27.

Выходы m-разрядного управляемого делителя 31 числа импульсов подключены к .входам дешифратора 23 и входам элемента И 37, выход которого подключен к управляющему входу ключа 9.

Выход младшего разряда делителя 31 подключен к управляющему входу ключа 5. Выход импульса переполнения делителя частоты 31 подключен к входу запуска вычислителя и индикатора 22 и второму входу элемента И 34.

Двоичный счетчик 24, блок 25 элементов равнозначности и ЦАП 26 представляют собой источник линейно изменяющегося напряжения, При этом если старший разряд, счетчика 24 находится на нуле, напряжение на выходе ЦАП 25 линейно растет, если же старший разряд счетчика 24 находится в единице, напряжение на выходе ЦВП 25 линейно падает.

Управляемые делитель 28, умножитель 29 и делитель 31 числа импульсов упрэвля- ются наборным полем 35, представляющим собой набор коммутирующих элементов, с помощью которых задается коэффициент деления делителей 28 и 31 и коэффициент умножения умножителя 29. При этом если коэффициент деления делителей 28 и 31 задается равным п, где п может изменяться от

4 до 2т. где m - число двоичных разрядов делителей 28 и 31 и умножителя 29, то коэффициент умножителя равен - .

Таким образом, коэффициент передачи умножителя 29 и делителя 28 равен К28 К29

- - и всегДа постоянный. Поэтому

общий коэффициент передачи делителя 28, умножителя 29 и делителя 30 с постоянным коэффициентом деления Кзо тоже постоянный и равен щ ГУН 27, делитель 28, УМН 29, делитель 30, фазочувствительный детектор 32 с фильтром на выходе и формирователь 36 импульсов сетевого напряжения представляют собой систему фазовой автоподстройки частоты генератора 27, которая обеспечивает частоту сигнала на выходе делителя 30 числа импульсов, равную частоте помехи.

При этом частота управляемого генератора равна частоте сети, умноженной на

Частота сигнала на выходе делителя 28

равна частоте сети, умноженной на

0

5

0

5

0

5

т.е. зависит от числа п и обратно пропорциональна ему. При минимальном п 4 эта частота максимальна, при максимальном п 2т минимальна.

Коэффициент пересчета счетчика 24 постоянный и равен Кзо, а в связи с тем, что общий коэффициент передачи умножителя 29, делителя 30 и делителя 31 тоже равен этой величине при любом п, то переполнение счетчика 24 и делителя 31 наступает одновременно. Подключение выхода триггера 33 через элемент И 34 к входу установки в О счетчика 24, обеспечивает синхронную работу этого счетчика и делителя, состоящего из УМН 29 и делителей 30 и 31 после включения питающего напряжения или случайного сбоя в работе.

Умножитель частоты представляет собой интегратор последовательного переноса и может быть выполнен на микросхемах К155ИЕ8. Управляемые делители частоты 28 и 31 одинаковы и представляют собой двоичные счетчики, выходы которых являются входами делителей, имеющие входы предварительной установки в любое число, например микросхемы К155ИЕ7. В состав каждого делителя 28 и 31 входятодновибра- тор, вход которого подключен к выходу старшего разряда счетчика, а выход - к входу разрешения переноса информации в счетчик делителя. При каждом переполнении счетчика одновибратор запускается и пере- носит коротким импульсом число п. задаваемое для делителей 28 и 31 в дополнительном коде, 8 счетчики этих дели- телей. После каждой предустановки счетчиков они будут получать по п импульсов до следующего переполнения и последовательно пробудут в п состояниях, последнее из которых - единицы во всех разрядах. Выход одновибратора делителя 31 является его выходом переполнения, подключен к входу запуска вычислителя 22 и второму входу элемента И 34, выход которого подключен к вхо- ду установки в О счетчика 24.

Частота запуска АЦП 18 и сумматоров 19-21 может быть выбрана путем переключения выхода делителя 30, подключенного к входу АЦП 18 и стробирующему входу де- шифратора 23.

Толщиномер работает следующим образом.

После очередного переполнения дели- теля 31 числа импульсов, которое сопровождается установкой триггера 33 . счетчик 24 импульсов с выхода элемента И 34 устанавливается в О и начинается линейный рост напряжения на выходе ЦАП 26. На ка- тушках 3 и 4 приемников поля начинают устанавливаться стационарные значения ЭДС ез. 64, ез4. Через время гс на вход счетчика делителя 31 поступит один импульс и он окажется в состоянии, при кото- ром начнется многократная установка в 0й накапливающих сумматоров 19-21, т.к. на выходе дешифратора 23, соответствующем числу 12 на его входах, появляются импульсы, поступающие на стробирующий вход де- шифратора 23 с одного из выходов делителя 30. Следующий импульс с выхода делителя 30, поступающий на вход делителя 31 через время, несколько превышающее г$. с момента переполнения делителя 31 переведет счетчик делителя 31 в состояние, при котором будут включены ключи 5.8 и 15. В результате этого к входу АЦП 18 будет подключено повторенное усилитзлем 10 (включенным повторением) через включен- ный в неинвертирующем режиме усилитель 13 суммарное напряжение с катушек 3 и 4 преобразователя поля. Запуски АЦП производятся импульсами с промежуточного выхода делителя 30, с этого же выхода через дешифратор 23 производятся запуски сумматора 21. Причем запуски АЦП производятся передними фронтами импульсов с промежуточного выхода делителя 30. а запуски сумматоров - задними фронтами этих импульсов.

В сумматоре 21 накапливаются результаты, пропорциональные напряжению ез в течение периода сетевой помехи. После установки счетчика делителя 31 в состояние 14 ключ 5 выключится, а ключ 6 включится в течение следующего периода напряжения сетевой помехи в сумматоре °0 будет накапливаться число, пропорциональное напряжению в4 на катушке 4 преобразователя поля. После установки счетчика делителя 31 в состояние 15 размыкается ключ б, замыкается ключ 5, а также в результате появления единицы на выходе элемента 37 размыкается ключ 8 и замыкается ключ 9. В течение следующего полупериода сетевой помехи в сумматоре 19 накапливается число, пропорциональное напряжению ез на катушке 3 преобразователя поля.

В резуштате поступления следующего импульса на вход счетчика делителя 31, он переполняется, триггер 33 устанавливается в 0, одновибратор делителя 31 запускается и устанавливает счетчик делителя 31 в исходное состояние.

Импульс переполнения делителя 31 (импульс одновибратора, входящего в состав делителя 31} запускает вычислитель, который производит вычисление по формуле

NX(T) А

NZ34 -МБ,

Nl3 Nirr8 A-F B,

где N 2з4 . N 2з и N 24 - суммы количеств импульсов N34, N3 и N4;

А и В - выбираются для данного диапазона (Тт.Тм) измеряемых толщин из условия

.B-T.-A.FCr.

что дает выходную величину NX(T) в единицах измеряемой величины

NxfT) - Т.

Благодаря переключению триггера 33 напряжение на выходе ЦАП 26 начинает линейно падать, ключ 15 размыкается, а ключ 16.замыкается, из-за чего усилитель 13 становится инвертирующим.

Напряжение на катушках 3 и 4 меняет полярность и через время ts после переключения триггера 33 достигает своего уста- новившегося значения, равного по величине значению, установившемуся при линейном росте напряжения на выходе ЦАП 26 и обратного по полярности. Учитывая, что усилитель 13 вместо неинвертирующего то же стал инвертирующим при сохранении коэффициента усиления, то в дальнейшем работа толщиномера протекает аналогично описанному.

111839228 12

(56) Авторское свидетельство СССРАвторское свидетельство СССР № 1379606, кп. G 01 В 7/06, 1986. № 1446455, кл. G 01 В 7/06, 1987.

Формула- изобретения..

v ыходом. выход генератора управляемого

ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ 5 напряжения через первый управляемый ТОЛЩИНОМЕР, содержащий полесоздэю- делитель числа импульсов подключен к щую катушку, первую и вторую идентич- входам счетчика и умножителя, выход ко- ныекатушки индукционного1 торого подключен к входу делителя с по- преобразователя, установленные соосно и стоянным коэффициентом деления, соединенные последовательно согласно,10 промежуточный выход которого подключен первый ключ, соединенный с общей точкой к входу запуска аналого-цифрового преоб- катушек, второй ключ, соединенный с кон- разователя и стробирующему входу де- цом второй катушки, третий и четвертый шифратора, а основной выход делителя - к ключи, соединяющие общую точку катушек второму входу фазочувствительного детек- и начало первой катушки с общим право- тора и входу второго управляемого делите- дом, стробируемый дешифратор, вычисли- ля числа импульсов, выход которого тель с индикатором, фазочувствительный подключен к входам дешифратора и второ- детектор, соединенный с ним управляю- го элемента И, выход которого подключен щим входом генератор управляемого na-gQ к управляющему входу первого ключа, вы- пряжения, формирователь, выход которого ход младшего разряда второго управляе- подключен к одному из входов фазочувст- мого делителя подключен к управляющему вительного детектора, двоичный счетчик, входу четвертого ключа, выход старшего блок элементов равнозначности, первые разряда второго управляемого делителя входы которых подключены к аыходам раз- 25 подключен к счетному входу триггера, вы-; рядов двоичного счетчика, кроме старшего, ход которого подключен к первому входу выход которого подключен к вторым вхо- первого элемента И, к входу третьего ин- дам элементов равнозначности, цифроана- вертора и к управляющему входу пятого лотовый преобразователь, вхрды которого ключа, выход переполнения второго управ- подключены к выходам элементов равно- 30 ляемогр делителя подключен к второму вх значности, преобразователь напряжения в оду первого элемента И и входу запуска ток, вход которого подключен к выходу вычислителя, выход первого элемента И цифроаналогового преобразователя, а вы- подключен к установочному входу счетчи; ход - к полесоздающей катушке, два ин- ка, выход третьего инвертора подключен к вертора, через которые соединены друг с 35 управляющему входу шестого ключа, вы- другом управляющие входы первого и вто- ход первого операционного усилителя подj рого, третьего и четвертого ключей, эле- ключей через первый резистор к мент И, отличающийся тем, что, с целью инвертирующему входу второго операци- увеличёния быстродействия и точности из- онного усилителя, выход которого соеди- мерений, он снабжен третьим инвертором, 4 нен с этим же входом через второй

пятым и шестым ключами, первым опера-резистор, выход первого операционного

циойным усилителем, вторым операцией-,усилителя подключен так ,же через пятый

ным усилителем с двумя резисторами,ключ к неинвертирующему входу второго

аналого-цифровым преобразователем по--операционного усилителя, этот же вход чеследовательного приближения, тремя на-,рез шестой ключ подключен к общей шине,

капливающими сумматорами, счетнымвыход второго операционного усилителя

триггером, вторым элементом И, управляв-подключен к информационному входу анамым умножителем, двумя управляемымилого-цифрового преобразователя, инфор- делителями числа импульсов и одним де- мационные выходы которого подключены к

лителем с постоянным коэффициентом-де-:информационным входам трех накапливаления, наборным полем, выходы прямого ющих сумматоров, n-й выход дешифратокода наборного поля подключены к упраа-ра, соответствующий единицам,

ляющим входам умножителя, выходы об-подключенным на все ее входы, подключен ратного кода - к управляющим входам к запускающему входу первого сумматора,

обоих управляемых делителей, выходы(п - 1)-й выход дешифратора подключен к

первого и второго ключей объединены иуправляющему входу второго сумматора,

подключены к неинвертирующему входу(п - 2)-й выход - к управляющему входу

первого операционного усилителя, инвер-третьего сумматора, а (п - 3}-й выход - к

тирующий вход которого соединен с его ввходам обнуления всех сумматоров.

Изобретение относится к измерительной технике. Толщиномер позволяет повысить точность и быстродействие при измерении толщины изделий с двухсторонним доступом к поверхностям объекта контроля за счет увеличения крутизны нарастания и спада пилообразного тока в катушке источника электромагнитного поля Аналого-цифровой преобразователь преобразует сигналы катушек приемников поля в код который усредняется с помощью сумматоров по каждой катушке приемника отдельно. Цифроаналоговый преобразователь совместно с блоком элементов разнозначности является источником пилообразного напряженна скорость измерения которого задается наборным полем, изменяющим коэффициент деления делителей и усилителя в зависимости от длительности переходного процесса в катушках преобразователя поля 1 ил.