Устройство для контроля параметров многокомпонентных материалов

)5 О 01 И 27/04 ИЗОБРЕТЕНИ Н ОПИ ОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ А(71) Киевский технологический институт легкой промышленности(56) Авторское свидетельство СССРМ 954895, кл. 6 01 М 27/02, 1982,Авторское свидетельство СССРМ 1402905, кл, О 01 М 27/04, 1988.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ МАТЕРИАЛОВ Изобретение относится к неразрушающему физическому контролю по частотным изменениям полного сопротивления и может быть использовано для контроля много- компонентных материалов и сред по форме частотных характеристик реэистивных измерительных ячеек, содержащих исследуемый материал или средуИзвестно устройство контроля параметров многокомпонентных материалов и сред по частотной дисперсии злектропроводности, содержащее первый и второй генераторы перестраиваемых частот, балансный. смеситель, параллельно включенные аттенюатор и фильто НЧ, фильтр ВЧ, у и ра вля ем ы й и е рекл юча тель, 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 часшно- йки ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР 2(57) Использование; неразрушающий контроль материалов. Сущность изобретения:. устройство содержит источник опорного напряжения,.регулируемый по частоте источник переменного напряжения, резистивную измерительную ячейку, переключатели, преобраэовэтели "ток-напряжение", амплитудные детектор, фазочувствительный выпрямитель, интегратор, генератор прямоугольных импульсов, делитель напряжения, блок умножения, 1 ил. таты коммутации, фазочувствительный вы-прямитель и измерительный прибор. В устройстве, также содержатся 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 фазочувствительного 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 погре сти вследствие неточной подстроОднако известному устройству присущи 5 следующие недоста 1 ки:- измеряются частотные изменения только активной составляющей полного сопротивления, неконтролируемые изменения реактивной составляющей частоты избирательного усилителя, что так" же 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 аттенюэторы 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, фазочувствительный выпрямитель и фильтр низкой частоты, выход которого соединен с управляющим входом одного из аттенюаторов, внутренний (входной) электрод ячейки соединен с линейным амплитудным детектором и логарифматором, 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 (21,Б 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 исс-, ледуемой среде, а по времени регистрации (текущей частоте), соответствующему очередному экстремуму характеристики, - о химическом или биологическом составе регистрируемой компоненты. обуславливают большие погрешности в определении частотных изменений полногосопротивления- при сравнении активных составляю 5 щих токов ячейки на опорной и испытательной частотах неизбекны дополнительныечастотные погрешности, вносимые преобразователем ток - напряжение и синхронным детектором, имеющими собственные10 неравномерные частотные характеристики;"- операция логарифмировачия пОзволяет выделить сигнал, пропорциональный относительному частотному изменению,только при его малых значениях, при боль 15 ших относительных изменениях возникаетбольшая методическая погрешность;- при исследовании высокоомных материалов и сред возникают трудности в выдельнии сигнала, пропорционального20 разности малых токов разных частот, пред-варительное усиление на разных частотахнеизбежно искакает отношение амплитудразных частотных сигналов.Целью изобретения является повыше 25 ние точности контроля за счет исключениячастотной погрешности вносимой схемными элементами,Поставленная цель достигается тем, чтов устройство для контроля параметров мно 30 гокомпонентных материалов, содержащееисточник постоянного опорного напряжения, регулируемый по частоте источник переменного напряжения, резистивнуюизмерительную ячейку, первый переключа 35 тель, первый преобразователь "ток - напрякение", амплитудный детектор, фильтр,низкой частоты, фазочувствительный выпрямитель, интегратор, регистратор, генератор прямоугольных импульсов, делитель40 напряжения, причем выход источника переменного напряжения через первый переключатель, а выход источника постоянногоопорного напряжения через делитель напряжения и первый переключатель соеди 45 нены с резистивной измерительнойячейкой, амплитудный детектор, фильтрнизкой частоты, фазочувствительный выпрямитель, интегратор и регистратор соединены последовательно, регистратор одним50,выходом кинематически соединен с входомрегулировки частоты источника переменного напряжения, а выход генератора прямоугольных импульсов соединен суправляющими входами первого переклю 5 чателя и фазочувствительного выпрямителя,введены дополнительно элементы, включенные следующим образом:- выход источника переменного напряжения через второй переключатель, а выход источника постоянного опорного напряжения через делитель напряжения и второй переключатель соединены с безреактивным 5 резистором;- резистивная измерительная ячейка через четвертый переключатель, а безреактивный резистор через третий переключатель соединены с первым и вторым преобразователями "ток - напряжение";- выходы первого и второго преобразователей "ток- напряжение" соединены соответственно с первым и вторым 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 иэ регулируемого реохорда 4 и постоянных резисторов 5 и 6, первь 1 й и второй переключатели и 8, резистивную измерительную ячейку 9, беэреактивный 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 импульсов,Источник 1 постоянного напряжения через делитель 3 напряжения соединен с одними противоположными входами переключателей 7 и 8, другие противоположнь 1 е входы которых соединены с источником 2 переменного напряжения, Выходы переключателей 7 и 8 через измерительную ячейку 9 и беэреактивный резистор 10 соединены с входами переключателей 11 и 12, противоположные выходы которых соединены между собой. К противоположным выходам переключателей 11 и 12 через преобраэователи "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 блокомрегулировки частоты источника 2. Пишущиймеханизм регистратора 20 кинематическисоединен с движкам реохорда 4 делителя 3напряжения, 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 фазочувствительного выпрямителя 18 подключены к выходу генератора 21 прямоугольныхимпульсов,Устройство работает следующим образом.На реэистивную измерительную ячейку,содержащую контролируемый материал илисреду, при помощи переключателя 7 поочередно воздействуют с низкой частотой коммутации И пакетами опорного изондирующего напряжений. Пакеты опорного напряжения формируются из постоянного напряжения источника 1.регулируемого делителем 3;01 = К 1 (1 + у 1) 0 о, (1)где К - коэффициент передачи делителянапряжения;ЬК 1у 1 -- относительное изменениеК 1регулируемого напряжения.Пакеты зондирующего напряженияформируются из переменного напряженияисточника 202 = 0 п 1 (1 + у 2) 3 и (в 1 + о), (2)где 0 т, виср- амплитуда, частота и фазаколебаний;Ь Д (й2 - относительное изменениезондирующего напряжения при регулировке его частоты.Испытательную частоту в изменяют в заданном частотном диапазоне (амин + йЪакс),а частоту коммутации выбирают в 10 + 20раз меньше минимальной частоты испый)минтательного напряжения ( О ( 10 + 20 ).В один полупериод коммутацииЛт 1 = - через ячейку протекает постоянный2ток, значение которого определяется ееомическим сопротивлениемО 1 К (1 +у) Ыо1где Й 1 - омическое сопротивление измерительной ячейки,В другой полупериод коммутацииЛх 2 = =г 1 протекает переменный ток, зависящий от полного сопротивления ячейкиХ 3 и ( О тга в полупериодток о сопротивления ячейкеУзВ81ОТНОСИ- тельное частотное изменение модуля полного сопротивления;Лр 1 - дополнительный фазовый сдвиг, возникающий из-за наличия реактивной составляющей сопротивления ячейки.При помощи переключателя 11 комму.тируют токи 1 и 2 на входы преобразователей 13 и 14, на выходах которых получают напряжения вида: Оз =- Кг 1 = (1+ у 1)К 1 К 2В 1 В,(1+р) ("+ Х Оп з и ( в т + р + Л р 1 + Л д ), (6 где Кг и Кз - коэффициенты преобразования30постоянного и переменного токов в напряжение;ЛКз в,;ив - относительная часКз35тотная погрешность преобразования токаиспытательной частоты в напряжения,Луг - дополнительный фазовый сдвиг,вносимый в процессе преобразования токав напрякение. 40Одновременно при помощи переключателя 8 пакетами постоянного и переменного напряжений, но с противоположнойпоследовательностью и противополокным регулированием изменения постоянного напряжения, воздействуют набезреактивный резистор с сопротивлениемВг, равным омическому сопротивлениюячейки (йг =. 81=К), В результате этого черезбезреактивный резистор в полупериод коммутации т 1 протекает переменный ток02 0 коммутации тг - постоянныйО82Аналогичным образо мутацию переключателе преобразуют в пакеты и напряжений: 06 = К 2 4 = К 1 (1 - У 1) К 2 (10)ВгПереключатели работают таким образом, что на вход преобразователя 13, выполненного на операционном усилителе спараллельной обратной связью, воздействуют только постоянные токи, протекающиечерез измерительную ячейку 9 и безреактивный резистор 10, которые после преобразования в пропорциональныенапряжения поочередно воздействуют наодин вход блока умножения 15. На второйпреобразователь 14 воздействуют соответственно только переменные токи, протекающие через безреактивный резистор 10 иизмерительную ячейку 9, и на второй входблока 15 умножения воздействуют толькопеременные нэпрякения, пропорциональные токам.Далее перемножают пакеты постоянного напряжения Оз с пакетами переменногонапряжения 05, а пакеты переменного на-пряжения 04 перемножают с пакетами постоянного напряжения 06. В результате навыходе блока умнокения 15 в полупериодт 1 формируются пакеты переменного напряжения испытательной частоты вОт =31(1+уЬ) Оз 05=я(1 +15) ХХК (1 +у)К 2(1 +уг) Х Кз(1 +у 4)Хзи (в+),О Оп 111)где 31 - крутизна (чувствительность) множительного преобразования;ЛЯ 1 О"г 5 51относительное частотноеизменение крутизны преобразования,В полупериод тг формируются пакетыпеременного напряжения той же частоты а УЬ)04 06 =ут)К 2 (1 +й)Кз (1 +у 4)х Т + Р + Ь д 1 + Л Щ), (12)При непрерывной работе переключателей 7, 8, 11 и 12, которые управляются прямоугольными импульсами напряжения генератора 21, пакеты переменных напря-, жений 07 и Ов с выхода блока 15 умножения 5 поочередно детектируются амплитудным детектором 16.09 = Яг(1 + 76)07 =(14)Вг (1 + уз)где Яг - крутизна амплитудного детектирования,011 = К 4 здп зп(йт + Ф) (15)30 где К 4 - коэффициент передачи фильтра низкой частоты;здп зи Й 1 - прямоугольная огибающая пакетного напрякения;1 - фаза огибающей, зависящая от зна ка относительного частотного изменения полного сопротивления ячейки.Напряжение Оц частоты коммутации выпрямляютфазочувствительным выпрямителем и получают постоянное напрякение 40 вида012 = ЯЗК 432 (1 +)6)Я 1(1 + )5)К 1 К 2(1 + ф)Х ХКз(1+у 4) г (1+ (1 +у 1) (16)45 где Зз - крутизна фазочувствительного выпрямителя.Выпрямленное напряжение заряжает интегратор 19, выходное напряжение которого оздейстует на ресратор 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, ИзЛЯг 20)6 = - относительная частотная понггрешность детектирования,Из выпрямленных пакетов напряжений 09 и 01 о фильтром низкой частоты 17 выделяют переменное напряжение частоты ком мутации(18) 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 у 1 в цепи постоянного напряжения при медленных изменениях испытательной частоты и), в ди- аПаэОНЕ ймин Фмакс ОПРЕДЕЛЯЮТ ЧаСтот ную характеристику ячейки в этом диапазоне частот и ее экстремальные 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, соответствующему 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 В, которая определяется количеством анализируемого вещества и температурой, а также не зависит от непостоянства амплитуды или мощности колебаний испытательной частоты при изменении последней ( )г ), неравномерностей частотных характеристик преобразователей переменного 1 ока в напряжение ( у 4), множительного преобразователя (у 5) и амплитудного детектора ( 16 ),Благодаря перемноженик пакетов постоянного напряжения с пакетами переменного напряжения и последующему амплитудному детектированию пакетов намерительный механизм регистратора 20 кинетически связан с движком расхода 4, перемещение ие которого От н оси 1 ел ь носреднего положения определяет о 1 носительные изменения постоянных напряжений, подаваемых соответственно наизмерительную ячейку 9 и безреактивныйрезистор 10, Движком реохорда устанавливается в положение, соответствующее нулевому значению сигнала на выходефазочувствительного выппямителя 18, т. е.012 =0, Приравнивая выражение(16) к нулю,получаем"= 1+уДля малых частотных изменений модуляполного сопротивления ячейки 1.з (И) 1)выражение (18) упрощаетсяуз (со)= - 2 у 1, (19)пряжений одной и той же частоты обеспечивается получение информации о частотных изменениях модуля полного сопротивления измерительной 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 диметилформамида на постоянном токе в пределах 10+1000 кОм, В качестве множительного блока использованы интегральные пере- множители сигналов типа 525 ПС 2, автоматические переключатели выполнены на полевых транзисторах типа КП 302 Б, 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+ 0,05с относительной погрешностью не более 0,5+170.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 повышения точности определения относительной неравномерности частотных характеристик измерительных резистивных ячеек.2, Расширяется использование образцовых мер постоянного тока для определения частотных свойств измерительных ячеек с исследуемой многокомпонентной средой в широком диа па зоне частот. 3, Результат измерения не зависит от абсолютной величины сопротивления ячейки и от определяющих ее температуры пробы и количества вещества в пробе, 40 тель соединены с безреактивным резистором, резистивная измерительная ячейка через четвертый, а беэреактивный резистор через третий переключатель соединены с первым и вторым преобразователями ток напряжение, выходы первого и второго преобразователей ток - напряжение соединены соответственно с первым и вторым входами блока умножения, выход которого сОединен с амплитудным детектором, регистратор 50 вторым. выходом кинематически соединен срегулирующим входом делителя напряжения, а все переключатели управляющими входами соединены с генератором прямоугольных импульсов,10202530 Формула изобретения Устройс-во для контроля параметровмногокомпонентных материалов, содержащее источник постоянного опорного напрякения, регулируемый по частоте источник переменного напряжения; резистивную измерительную ячейку, первый переключатель, первый преобразовательток - напряжение, амплитудный детектор, фильтр низкой частоты, фазочувствительный выпрямитель, интегратор, регистратор, генератор прямоугольных импульсов, делитель напряжения, причем выход источникапеременного напрякения 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 входомрегулировки частоты источника переменного напряжения, а выход генератора прямоугольных импульсов соединен с управляющими входами первого переключателя и фазочувствительного выпрямителя, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с цельюповышения точности за счет исключения частотной погрешности, вносимой схемнымиэлементами, оно дополнительно содержитвторой 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 переключа1774242 Составитель К,МаркусикРедактор Техред М,Моргентал орректор М.Шарош Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 1 Заказ 3923 Тираж Подписное ВХИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5