Устройство для измерения величины удельной электрической проводимости электропроводящих изделий

, 1666972 1 Н 27/ 5)5 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ВТОРСКО ИДЕТЕЛ ЬСТВ с ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(56) Авторское свидетельство СССРМ 1583828, кл. 0 01 й 27/90, 1987.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ УДЕЛЬНОЙ, ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙПРОВОДИМОСТИ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ИЗДЕЛИЙ(57) Изобретение относится к контрольноиэмерительной технике и может быть использовано для измерения величиныудельной электрической проводимости вэлектропроводящих изделиях, Целью изобретения является расширение функциональных врзможностей за счет обеспечения измерения величины зазора между вихретоковым преобразователем и электропроводящим изделием и обеспечение индикации допустимой величины электропроводности электропроводящего изделия. Устройство содержит генераторы 1-3 переменного тока, коммутаторы 4,5, вихретоковый 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 выходом аппроксиматора 32, 1 з,п,ф-лы, 4 ил.Изобретение относится к контрольноизмерительной технике, может быть использовано для измерения величины удельной электрической проводимости электропроводящих изделий и является дополнительным к авт,св. 1 Ф 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 электроцроводящих изделий; на фиг.2-4 приведены графики, поясняющие работу изобретения,Устройство для измерения величины удельной элек рической проводимости электропроводящих изделий содержит первыи 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 вихретоковый 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 коммутатор10 компаратора 35 подключен к выходу аппроксиматора 32.Выход блока 24 управления подключен к управляющим входам генераторов 1-3, выход первого блока 12 памяти соединен с 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 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 измерительная катушка 8 подключена к входу усилителя 9.Устройство для измерения величины удельной электрической проводимости электропроводящих изделий работает следующим образом,Генератор 11 тактовых импульсов вырабатывает пилообразные импульсы, Каждый из коммутаторов 4 и 5 содержит аналогоцифровой преобразователь (АЦП), на вход 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 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 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 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 15 20 25 30 35 40 45 50 55 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 31 сложения, а также последовательно соединенные аппроксиматор 32, вход которого подключен к выходу первого блока 15 вычитания, и третий индикатор 33, последовательно соединенные третий источник 34опорного напряжения, второй компаратор 35 и реле 36, причем второй вход второготре 1 ьего 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)1, в 2 =о) и и вз = ю 1/и соответственно, где и1. Выходное напряжение О измерительной катушки 8 усиливается усилителем 9 и выпрямляется амплитудным детектором 10. Таким образом, в первом такте (замкнуты первые ключи) е блоке 12 памяти запоминается величина усиленного напряжения катушки 8 01, полученная при частоте возбуждающего тока и 1 во втором такте (замкнуты вторые ключи) в блоке 13 памяти запоминается величина 02, полученная при частоте возбуждающего тока в 2 а в третьем такте (замкнуты третьи ключи) в блоке 14 памяти запоминается величина Оз, полученная при частоте возбуждающего тока гдз За один период сигнала с генератора 11 проводится три такта измерения О, Согласно теории вихретоковых преобразователей (ВТП), величина относительной амплитуды ВТП О О/О, где Оо - амплитуда ВТП в воздухе ф = 0),при установке ВТП над проводящим полупространством будет зависеть от абсолютного значения двух обобщенных параметров Игт, гдето = Строго;и =2 Н,гя; Й - радиус большей катушки ВТП, м; а - удельная электрическая проводимость, см/м; ю- круговая частота тока возбуждения, Гц; ро - магнитная постоянная фо =4 л 10 Гн/м); Н - зазор между- 7ВТП и проводящим изделием, м.Для аппроксимации реальной зависимости О = 1 ф) используется выражение видаО = ао+ а 11, /3 (1) где ао, а 1 - коэффициенты,справедливость которого подтверждают зависимости О -- 1 ( 1, ф изображенные на фиг. 2 (они построены по известным зависимостям для ВТП с величиной г = г/й = 0,75, где г - радиус меньшей катушки). Для работы на линейном участке зависимости О =- 1(1 п ф изменяют о)1 (и соответственно в 2 иыз при этом изменяется величина 3) до выполнения равенства 201 - 02 - Оз =О, при этом зависимость О = г(1,/3) описывается выражением (1), так как величина 201-02-Оз пропорциональна величиФОд (павЧтобы выражения, справедливые для величины О, были верны и для величин 01, 02 и Оз, амплитуды токов генераторов 1 - 3 выбирают таким образом, чтобы величина 5 О, была одинакова при возбуждении ВТП б токами с частотами о)1, ю, и ез.Процесс измерения состоит из двух этаг 1 ов; калибровки и собственного измерения. 10 Блок 24 управления в одном иэ вариантов состоит из последовательно соединенной кнопки(вход блока 24 управления), усилителя и микродвигателя, который вращает частотозадающие резисторы генераторов 1-3. 15 В процессе калибровки оператор устанавливает без зазора (Н=О) ВТП б на эталонное изделие с известной величиной гт - гтэт и замыкает кнопку блока 24 управления. Блок 24 управления будет одновременно 20 изменять частоты генерагоров 1 - 3 до тех пор, пока на выходе блока 18 вычитания не установится нулевое напряжение. Коэффициент преобразователя масштабного преобразователя 19 выбирается равным двум, 25 поэтому в установившемся режиме будет соблюдаться равенство 201-02-Оз=О. Это означает справедливость выражения (1),В момент нулевого напряжения на вы ходе блока 18 вычитания (201 - 02-Оз=О) сработает компаратор 25 и индикатор 26 загорится (будет светиться светодиод зеленого свечения). Это будет означать, что устройство работает в установившемся 35 режиме и в дальнейшем частоты и 1, и 2 и вз не будут меняться, при этом в блоках 12-14 памяти будут соответственно храниться величины 01, 02 и Оз.01 = ао + а 11 и /3, 40 02 =а +а 1 и фэ и ), Оз = а. + а 11 и ф, Мп )(2)где Д = В бсь 1 риа с выхода блока 17 вычитания на второй 45 вход блока 20 деления будет поступать величина 02 - Оз = а 1 о и. После загорания индикатора 26 оператор размыкает кнопку блока 24 управления, размыкает коммутатор 30, если он был замкнут, калибрует уст ройство, изменяя величину напряжения регулируемого источника 27 опорного напряжения Осп 1 до тех иор пока индикатор 23 не будет показывать величину, равную величине ор Гри этом на первый вход блока 20 деления будет посгупать сигнал 01 - Оол.1, а с выхода масштабного преобразователя 21, коэффициент преобразования которого равен 21 и и, на вход экспоненциального 1,ункционального преобразователя 22 будет поступать сигналРешая систему уравнений (2), получимО 1 - аор- ог -озС учетом этого и выражения для Д имеД.о,а 1й (й,а 1,ем(4)е1 ГдЕ М = - 1 И (Йгроа 1). Из анализа выражений (4) и (3) видно,что Ооп.1 = ао - М02 - Оз2 и и(5)После таких операций оператор замыкает коммутатор (ключ) 30 и изменяет величину выходного напряжения второго регулируемого источника 28 опорного напряжения -Ооп.г до тех пор, пока индикатор 23 не будет показывать величину гэбэ,Так как величины 01, 02 и Оз не изменились, то показание индикатора 23 о =оэт будет в том случае, если с выхода блока 31 сложения будет по-прежнему поступать на вход блока 16 вычитания сигнал, равный Ооп,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 Ооп.2 = 02-ОЗ= а 11 П И, В ДаЛЬНЕйШЕМ ВЕЛИЧИ- ны Ооп.2 и Ооп 1 не изменяют и блоки 27 и 28 служат как бы блоками памяти значений опорных напряжений,Величину коэффициента а 1, определенную с помощью величины 02-0 з, в дальнейшем используют для измерения относительной величины удельной электрической проводимости контролируемого материала. Однако под воздействием мешающих параметров контролируемого иэделия - зазора Н, величины коэффициен- тОВ а 1 И ао МОГУТ СУЩЕСТВЕННО ИЗМЕНИТЬСЯ. В устройстве и в прототипе величины коэф- фИЦИЕНтОВ а 1 И ао, НайДЕННЫЕ В ПРОЦЕССЕ калибровки, корректируются в зависимости от величины изменения мешающего параметра контролируемого изделия. Для этого оператор, не убирая вихретоковый преобразователь 6 с эталонного образца,01 - Ооп.1, 21 п и. Так как индикатор 23 поОг - Озкаэывает величину ото имеем равенство01 - Ооп,1Гтэт - Е 02 - 03 (3)04 = а, + а 1 п Дт,05 = во +а 1 1 и (Рэ 1 1/и ).Об =а, +а 1 1 И фэ МП ),(6) 15 ГДЕ ао, а 1- ВЕЛИЧИНЫ КОЭффИЦИЕНтОВ аои а 1 при Н = ЛН 1,Так как на второй вход блока 20 деления поступает величина 05-0 б, то с учетом(3) имеет;2(по04 ОГтэ = Е 05 О (7)где О - напряжение на выходе блока 31 25 сложения.Учитывая выражение (4), получим(8) Из анализа выражений (7) и (8) видно,что М 05 Об)(9)2 п иЕсли считать, что коэффициент переда чи отдельных блоков, входящих в устройство, не изменяются в процессе контроля, то при изменении мешающего параметра на величину Л Н 1. коэффициенты ао и а 1 изме- НЯЮтСЯ На ВЕЛИЧИНЫ Лдо =Со ЛН 1 И 40 Ла 1 = С 1 Л Н 1 а поэтому можно записатьао =ао+Ьао = во+ Со ЬН 1. (10) а 1 =а 1+Ьа =а 1+ С 1 ЛН 1, (11) Лао = Ла - = Ла 1 К,СоС(12) 45 где Со, С 1, к = Со/С 1 - коэффициенты пропорциональности.Так как на первый и второй входы блока15 вычитания поступают величины 02 - Оз и 05-0 б соответственно, а на второй вход бло ка 31 сложения поступает величина Ооп 1, тоимеем(05 - Об) (02 - ОЗ) 5" Ооп 1 = 0где Я - установленное значение коэффициента передачи регулируемого масштабного 55 преобразователя 29.С учетом (5) и (9) имеем 1 Ч 1( 11 . О,( м 1 йпсоздает зазор Л Н 1 в диапазоне его возможного изменения в процессе контроля.После изменения величины мешающегопараметра оператор изменяет коэффици ент передачи Я регулируемого масштабногопреобразователя 29 до тех пор, пока индикатор 23 не будет показывать величину, равную величине оэ 1. При этом в блоках 12 - 14 памяти будут соответственно храниться ве личины 04, 05 и Об, равные(13) ф )где а 1, ао - величины коэффициентов а идопри Н =ЛН 2,25а 1 =а 1+Ла =а 1+С 1 ЛН 2, (14)Д"о = ао + Л ао = ао + Л а К, (15)ф, =Й 4 о Г 1 ГУо,где гг- удельная электрическая проводимость материала контролируемого изделия,В процессе измерения на первый входблока 15 вычитания поступает сигнал 02-0 з,а на его второй вход - сигнал Ов, С выхода блока 15 вычитания сигнал1 =(Ов-Ъ) (02-Оз)=а 1 ии-а 11 пп=- Ла 1 1 и и (16)поступает на вход масштабного преобразователя 29 с коэффициентом преобразования 5, С выхода масштабногоМпреобразователя 29 сигнал Л а 1 (К -- ) по2 30 на первыйна второй вход ступает через коммутаторвход блока 31 сложения,которого поступает сигнал02 - ОзОоо=ао - М21 и иГРи этом на выходе блокбудет сформироьан сигнал, рМО -- Л а (К -- ) + ао - М2С учетом (14), (15) и рОз=д 11 и и имеемф МО = до - 2 (Ла 1 + а 1) 31 сложенияоный55 7-О поступает на первый еления, нд второй вход котоФ/сигнал Ов=а 11 и и, Выходока 20 деления через второй реобразонатель 2 1 поступает Сигнал О вход блока 20 д рого поступает ной сигнал бл масштабный п Полученное выражение с учетом (10)- (12) можно записать в нилелО Ч 1 /хн,д,по д,1,пи ".1 ли ,пл.11Таким оОраэом, коэффициент передачи Я масштабного преобразователя 29 зависит от величины коэффициента 1. В дальнейшем величину 5 не изменяют, 10В процессе этапа измерения вихретоковый преобразователь 6 устанавливдют на контролируемое иэделие, В общем случае величина мешающего параметра Н изменится на величину Л Н 2 Ф Л Н 1, а величины 15 а 1 и ао соответственно на Л а 1 и Л ао при этом в блоках 12-14 памяти будут соответственно храниться величины 07, Ов и Оо на вход экспоненциального функциональноо преобразователя 22, с выхода котороона индикатор 23 поступает сигндл1 у - и 2(От - и )Г --21 о о-----О ОЯ - О 9 - е аллл - еС учетом первого уравнения системы13) и выражения (17) сигнал Оинд будетранен1-- г --- 2 ь11 п,(,Таким образом, индикатор 23 будет показывать искомую величину удельной эдектричес кой проводимости материалаконтролируемого иэделия.Для определения величины зазора Н используется сигналс выхода блока 15 вычитания, который пропорционаленизменению величины коэффициентад - Ла 1 (см,выражение (16. Воэможногть определения величины Н (гт) по изменению величины а (а - наклонпрямолинейных участков зависимости фиг,2: 0 = Г (п 7) иллюсРирует график. нафиг. 3, построенный по тем же данным, чтои грдфик нд фиг. 2,Сигнал поступает на нходаппроксиматора 32, который учитывает незначительную нелинейность зависимостиЛ д = р (а)(см.фиг.3), Третий индикатор 33,на вход которого поступает сигнал с выходааппроксиматора 32, будет показывать величину Н.Аппроксиматор 32 можно настроить, используя известные зависимости для ВТП,или же путем практической калибровки,для чего после установки величин Ооо 1,Ооо 2 и 5 между ВТП 6 и изделием создаютзазоры различной величины (например,подкладывая под ВТП 6 образцовые диэлектрические пластинки), при этомаппроксиматор 32 настраивают таким образом, чтобыиндикатор 33 показывал нужное значениезазора Н. Линеиная аппроксимация реальной зависимости между изменениями величин ао и д 1 при изменении Н (см. выражение (12) верна при небольших изменениях Н, С помощью зависимос гей (2) и фиг, 3 построена и нд фиг, 4 изображена зависимость ао =Р(а 1),КОтОРаЯ ПОКаЗЫВДЕт ИЗМЕНЕНИЕ величины ао при изменении Н, выраженное через изменение величины а 1, Из-за нелинейности реальной зависимости Лдо =У)(Ла 1) выРажение (12) бУдет спРдведливо в небольшом диапазоне изменения Н, поэтому в данном устроистве при увеличении Н (а1,0) появится значительная5 10 15 20 25 30 35 40 погрешность измерения а несмотря на имеющуюся корректировку результата измерения о.Для того, чтобы исключить измерение величины гт, при больших зазорах, не обеспечивающих нужную точность измерения о устройство снабжено источником 34 опорного напряжения, компаратором 35 и реле 36, контакты которого используются для подачи питающего напряжения на экспоненциальный функциональный преобразовател 22. При увеличении Н будет увеличиваться сигнал с выхода аппроксимации 32 и, если величина этого сигнала превысить величину сигнала источника 34 опорного напряжения - Осг,з, то сработает компаратор 35, который эапитает обмотку реле 36 током, при этом преобразователь 22 будет обесточен и индикатор 23 будет показывать "0".Нужное значение величины Оз можно получить следующим образомПосле установки величин Ос,п,1, Ооп.2, 5 и настройки аппроксиматора 32 между ВТП 6 и эталонным изделием увеличивают зазор, при этом появится погрешность измерения о(будут изменяться показания индикатора 23), Зазор увеличивают до тех пор, пока не получат максимально допустимую погрешность измерения о. Величину Ооп.з устанавливают такой, чтобы при полученном зазоре (допустимой погрешности измерения о) сработал ком паратор 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 испольэовать или стрелочные индикаторы (гальванометры), или цифровые вольтметры.Если в качестве индикатора 23 используется электронный цифровой вольтметр, то контакты реле 36 могут быть использованы(Ф 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 опри изменении Н в устройстве предусмотрено измерение дополнительного параметра - величины зазора Н. В данном устройстве увеличена достоверность измерения величины о так как в случае возникновения не допустимо большого зазора (например, из - эа 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 о не выводятся на индикатор 23,Формула изобретения 1. Устройство для измерения величины удельной электрической проводимости электропроводящих изделий по авт,св. М 1583828, о т л и ч а ю щ е е с я 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.2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что для обеспечения индикации допустимой величины электропроводимости электропроводящего иэделия введен 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.1 ббб 972 Оф рг РФ Рб Щ/гда,-РГХГ 4 Составитель В,ЕжовЛ.Лошкарева Техред М.Моргентал Корректор О.Ципле Реда аказ 2520 Тираж 414 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж. Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент". г,од, ул.Гагарина, 101