Устройство для измерения удельной электропроводности

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ, содержащее фазойэмеритель, индикатор, генератор переменного напряжения, образцовый резистор, компенсирующий трансформатор, первинная обмотка которого включена последовательно с обмоткой возбуждения вихретокового датчика, конец вторичной обмотки подключен через измерительную обмотку вихретокового датчика .к общей шине, отлнчающеес я Тем, что, с целью повышения точности, оно дополнительно снабжено управляемым делителем, фильтром, первым и вторым усилителями, коммутатором , формирователем, амплитудным селектором, первым, вторым и третьим источниками опорного напряжения , первым и вторым блоками сравнения , первым и вторым блоками вычитания , первым и вторым преобразователями , первом и вторым элементами совпадения, реверсивнЕЛ«1 счетчиком и цифроаналоговым преобразователем , при этом первичная обмотка . компенсирующегго трансформатора выполнена из двух секций, соединенных последовательно и согласно, выход генератора переменного напряжения подключен к первому входу управляемого делителя, выход которого через последовательно включенные фильтр и второй усилитель подключен к первому входу коммутатора, первый и второй выходы которого подсоединены к соответствующим выводам первой секции первичной обмотки компенсирующего трансформатора, начало вторичной обмотки трансформатора подклю чено через первый усилитель к первому входу фазоизмерителя, а конец вторичной обмотки трансЛорматора через амплитудный селектор подключен к второму входу коммутатора, общая шина через образцовый резистор подключена к входу первого пре (Л образователя, к второму входу фазоизмерителя и к концу возбуждающей обмотки вихретокового датчика, выход первого преобразователя подсоединен к первому входу первого блока сравнения , второй вход которого подклю-. чен к выходу первого источника опорного напряжения, а выход подсоединен к второму входу управляемого делителя, первый вход которого псУд sj ключен через формирователь к первым о J входам первого и второго элементов совпадения, выход фазоизмерителя подсоединен к первым входам первого и второго блоков вычитания, втоOiib рой вход первого блока вычитания подключен к выходу второго источника опорного напряжения, а его выход подсоединен к первому входу второго блока сравнения, второй вход которого подключен к Ьыходу цифроаналогового преобразователя и к второму входу второго блока вычитания , выход которого подключен к индикатору, а третий вход блока вычитания через второй преобразователь подсоединен к выходу третьего источника опорного напряжения, пер

СОЮЗ СОВЕТСКИХ соцИАлистических

РЕСПУБЛИК (19) (И) 3(5)) С 01 Я 27/90

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВ ГОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3482838/18-21 (22) 11.08.82 (46) 30.01.84. Бюл. )) 4 (72) В.И.Гордиенко, A.ß.Òåòåðêî и В.Г.Рыбачук (71) Физико-механический институт им. Г.В.Карпенко и Специальное конструкторско-технологическое бюро Физико-механического института им. Г.В.Карпенко (53) 620.179.14(088.8)

:(56) Дорофеев A.Ë. Индукционная структуроскопия. М., Энергия, 1973, с.49-50.

2. Авторское свидетельство СССР

9 359617, кл. G 01 R 27/00, 1971 (прототип). ° (54) (57) УСТРОЙОТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

УДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ, содержащее фазоиэмеритель, индикатор, генератор переменного напряжения, образцовый резистор, компенсирующий трансформатор, первинная обмотка которого включена последовательно с обмоткой возбуждения вихретокового датчика, конец вторичной обмотки подключен через измерительную обмотку вихретокового датчика .к общей шине, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, оно дополннтельно снабжено управляемым делителем, фильтром, первым и вторым усилителями, коммутатором, формирователем, амплитудным селектором, первым, вторым и третьим источниками опорного напряжения, первым и вторым блоками сравнения, первым и вторым блоками вычитания, первым и вторым преобразователями, первым и вторым элементами совпадения, реверсивным счетчиком и цифроаналоговым преобразователем, при этом первичная обмотка компенсирующего.трансформатора выполнена из двух секций, соединенных последовательно и согласно, выход генератора переменного напряжения подключен к первому входу управляемого делителя, выход которого через последовательно включенные фильтр и второй усилитель подключен к первому входу коммутатора, первый и второй выходы которого подсоединены к соответствующим выводам первой секции первичной обмотки компенсирующего трансформатора, начало вторичной обмотки трансформатора подключено через первый усилитель к первому входу фазоиэмерителя, а конец вторичной обмотки трансАОрматора через амплитудный селектор подключен к второму входу коммутатора, общая шина через образцовый резис- е

Ф тор подключена к входу первого преобразователя, к второму входу фазоизмерителя и к концу возбуждающей обмотки викретокового датчика, веков С первого преобразователя подсоединей к первому входу первого блока сравнения, второй вход которого подклю- . чен к выходу первого источника опор- ного напряжения, а выход подсоединен к второму входу управляемого делителя, первый вход которого подключен через формирователь к первым входам первого и второго элементов совпадения, выход фазоизмерителя подсоединен к первым входам первого и второго блоков вычитания, второй вход первого блока вычитания подключен к выходу второго источника опорного напряжения, а его выход подсоединен к первому входу второго блока сравнения, второй вход которого подключен к выходу цифроаналогового преобразователя и к второму входу второго блока вычитания, выход которого подключен к индикатору, а третий вход блока вычитания через второй преобразователь подсоединен к выходу третьего источника опорного напряжения, пер1070464 вый и второй выходы второго блока сравнения подключены к вторым входам соответственно первого и второ.го элементов совпадения, третьи входы которых подсоединены к выходу амплитудного селектора, а выходы

Изобретение относит я к электроизмерениям,. в частности к неразрушающему контролю параметров материалов электромагнитными методами, и может быть использовано для изме- 5 рения удельной электропроводности немагнитных электропроводящих материалов.

Известно устройство, содержащее генератор, вихретоковый датчик, пред-10 варительный усилитель, фазовращатель, первый и второй усилители-ограничители, первый и второй формирователи прямоугольных импульсов, первый, второй, третий и четвертыми. Йифферен- 15 цирующие формирователи, первый и второй триггеры и индикатор, причем первый и второй выходы генера.тора подключены соответственно к возбуждающей обмотке вилретокового датчика и входу фазовращателя, выход фазовращателя через первый усилитель-ограничитель подсоединен к входу первого формирователя прямоугольных импульсов, первый выход формирователя прямоугольных импульсов через первый дифференцирующий формирователь соединен с первым входом первого триггера, второй выход первого формирователя прямоугбльных импульсов через второй дифференцирующий формирователь соединен с первым входом второго триггера, выход вихретокового датчика через последовательно соединенные пред- варительный усилитель и усилитель- З5 ограничитель подключен к входу второго формирователя прямоугольных импульсов, первый выход которого через третий дифференцирующий формирователь соединен с вторым вхо- 40 дом первого триггера, второй выход второго формирователя прямоугольных импульсов через четвертый дифференцирующий формирователь соединен с вторым входом второго триг- 45 гера, а выходы первого и второго триггеров подключены соответственно к первому и второму входам индикатора (11 .

Недостаток указанного устройства — малая точность измерений вследствие фаэовой погрешности, возника.элементов совпадения подключены соответственно к входам прямого и инверсного счета реверсивного счетчика, выходы которого подключены к соответствующим входам цифроаналогового преобразователя.

2 ющей из-за нестабильности величины тока возбуждения вихретокового датчика, а также из-за нестабильности фазовых характеристик самого вихретокового датчика, предварительного усилителя, фазовращателя и формирователей. Эти нестабильности приводят к погрешности измерения фазы выходного сигнала вихретокового датчика, которая регистрируется индикатором как изменение электропроводности.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для измерения электропроводности, содержащее генератор переменного напряжения, вихретоковый датчик, компенсационный трансформатор, образцовые резистор и конденсатор, переключатель, фазоизмеритель, снабженный переменным Фазовращателем и индикатор, в котором первый выход генератора переменного напряжения подсоединен к первичной обмотке компенсационного трансформатора, включенной последовательно с обмоткой возбуждения вихретокового датчика, конец вторичной обмотки компенсационного трансформатора подключен через измерительную обмотку вихретокового датчика к общей шине и ее начало подсоединено к первому входу фазоизмерителя, обмотка вихретокового датчика через последовательно соединенные резистор, кон" денсатор и переключатель подключена к первому выходу генератора переменного напряжения, второй выход которого через переменный фаэовращатель соединен с вторым входом фазоизмерителя, выход фазоизмерителя подключен к входу индикатора Г21.

Недостатком известного устройства является малая точность измерений, обусловленная нестабильностью величины тока в возбуждающей обмотке вихретокового датчика, что приводит к нестабильности фазы выходного напряжения вихретокового датчика, а также нестабильностью фазовых характеристик вихретокового датчика, компенсационного трансформатора, фазовращателя и нестабильностью ко

1070464 эффициента преобразования фазоизмерителя. Эти нестабильности вызывают изменение выходного сигнала фазо.измерителя при неизменной электропроводности контролируемого материала, что и приводит к погрешности измерений.

Цель изобретения — повышение точности устройства.

Указанная цель достигается тем, 10 что устройство для измерения удельной электропроводности, содержащее Фазоиэмеритель, индикатор, генератор переменного напряжения, образцовый резистор., компенсирующий транс- 15 форматор, первичная обмотка которого включена последовательно с обмоткой возбуждения вихретокового датчика, конец вторичной обмотки подключен через измерительную обмот ку вихретокового датчика к общей ши20 не, дополнительно снабжено управляемым делителем, фильтром, первым и вторым усилителями, коммутатором, формирователем, амплитудным селектором, первым, вторым и третьим источниками опорного напряжения, первым и вторым блоками сравнения, первым и вторым блоками вычитания, первым и вторым преобразователями, первым и вторым элементами совпадения, реверсивным счетчиком и цифроаналоговым преобразователем,при этом первичная обмотка компенсирующего трансформатора выполнена из двух секций, соединенных последовательно и согласно, выход генератора переменного напряжения подключен к первому входу управляемого делителя, выход .которого через последовательно включенные фильтр и второй уси- 40 литель подключен к первому входу коммутатора, первый и второй выходы которого подсоединены к соответствующим выводам первой секции первичной обмотки компенсирующего трансформатора, начало вторичной обмотки трансформатора подключено через первичный усилитель к первому входу фазоизмерителя, а конец,вторичной обмотки трансформатора через амплитудный селектор подключен к второму входу коммутатора, общая шина через образцовый резистор подключена к входу первого преобразователя, к второму входу фазоиэмерителя и к,концу возбуждающей обмотки вихретокового датчика, выход первого преобразователя подсоединен к первому входу первого блока сравнения, второй вход которого подключен к выходу первого источника бО опорного напряжения, а выход подсоединен к второму входу управляемо« го делителя, первый вход которого подключен через формирователь к пер вым входам первого и второго элементов совпадения, выход фазоиэмерителя подсоединен к первым входам первого и второго блоков вычитания, второй вход первого блока вычитания подключен к выходу второго источника опорного напряжения, а его выход подсоединен к первому входу второго блока сравнения, второй вход которого подключен к выходу цифроаналогового преобразователя и к второму входу второго блока вычитания, выход которого подключен к индикатору, а третий вход блока вычитания через второй преобразователь подсоединен к вы ходу третьего источника опорного напряжения, первый и второй выходы второго блока сравнения подключены к вторым входам соответственно первого и второго элементов совпа- дения, третьи входы которых подсоединены к выходу амплитудного селектора, а выходы элементов совпадения подключены соответственно к входам прямого и инверсного счета реверсивного счетчика, выходы которого подключены к соответствующим входам цифроаналого. ого преобразователя.

На чертеже приведена блок-схема ,предлагаемого устройства.

Схема содержит генератор 1 переменного напряжения, выход которого подключен через управляемый делитель 2, фильтр 3 н второй усилитель 4 к первому входу коммутатора 5, выходы которого подсоединены к первой секции первичной обмотки компенсирующего трансформатора 6, которая подключена согласно-последовательно с обмоткой возбуждения вихретокового датчика 7, которая через образцовый резистор 8 подключена к общей шине. Вторичная обмотка трансформатора 6 подсоединена последовательно-встречно с измерительной обмоткой датчика 7.

Потенциальный вывод резистора 8 подключен к входу первого преобразователя 9, выход которого подключен к первому входу первого блока 10 сравнения, к второму входу которого подключен выход первого иаточника 11 опорного напряжения. Выход блока 10 подключен к второму входу делителя 2. Первый вход второго блока 12 сравнения подключен к выходу первого блока 13 вычитания, второй вход которого подсоединен к выходу второго источника 14 опорного напряжения, а первый вход подсоединен к выходу фазоизмерителя 15, первый вход которого подключен к выходу трансформатора 6, через первый усилитель 16, а второй вход— к резистору 8. Измерительная обмотка датчика 7 подсоединена через ам1070464

25 ллитудный селектор 17 к второму входу коммутатора 5.

Первый вход второго блока 18 вы-. читания подключен к выходу фаэоизмерителя 15 и к первому входу блока 13. Третий вход блока 18 подсоединен к выходу третьего источника 19 опорного напряжения через второй преобразователь 20. Вторые входы элементов 21 и 22 совпадения подсоединены к выходу селектора 17 а третьи входы - к выходам блока 12.

Выходы элементов 21 и 22 подключены к входам прямого и инверсного счета 23 реверсивного счетчика, выходы которого подсоединены к вхо- 15 дам цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 24, выход которого подключен к второму входу блока 18. Выход генератора 1 через формирователь 25 подключен к первым входам элемен- 2() тов 21 и 22. Выход блока 18 подсоединен к индикатору 26.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 1 переменного напряжения вырабатывает напряжение фиксированной частоты, которое, поступает на первый вход управляемого делителя 2 напряжения. Выходной сигнал управляемого делителя 2 напряжения подается на вход фильтра 3, который выделяет из него гармоническое напряжение основной частоты. Это гармоническое напряжение усиливается . усилителем 4 и поступает на вход коммутатора 5. В режиме измерений при установке вихретокового датчика 7 на контролируемый материал амплитудный селектор 17 настраивают так, чтобы его выходной сигнал бып: 4О равен нулю. Нулевой сигнал с выхода амплитудного селектора 17 переводит коммутатор 5 в одно состояние и одновременно закрывает элементы 21 и 22. Ток возбуждения с первого вы- 45 хода коммутатора 5 поступает на последовательно соединенные первичную обмотку компенсирующего трансформатора 6, возбуждающую обмотку вихретокового датчика 7 и образцовый 50 резистор 8. При этом ток возбуждения протекает по.обеим секциям первичной обмотки компенсирующего трансформатора 6, выходное напряжение которого компенсирует напряжение хо- 55 лостого хода вихретокового датчика 7 (когда вихретоковый датчик 7 находится в воздухе). Напряжение, возникающее на образцовом резисто- .

Ре 8 и Равное V 3â <е поступает на вход преобразователя 9 переменного напряжения в постоянное, который преобразует его в постоянное напряжение

НЧ aÎââ в в <а (1) где (в — сопротивление резистора 8;КЗ - коэффициент преобразования преобразователя 9;

1в - ток через резистор 8.

Выходное йапряжение преобразовате-. ля 9 подается на первый вход блока 10 сравнения. Блок 10 сравнения сравнивает его с выходным напряжением источника ll опорного напряжения, которое поступает на его второй вход. Выходной сигнал блока 10 сравнейия воздействует на второй вход управляемого делителя 2 напряжения и изменяет его коэффициент преобразования (и величину тока возбуждения) таким образом, чтобы напряжения на входах блока 10 были равными, т.е. (2)

03 Kq Jg kg = Ug( где U< .=сопя — выходное напряжение источника 11 опорнсго напряжения.

Так как коэффициент преобразования К ) преобразователя .9 и сопротивление R образцового резистора 8 постоянны, то из (2) следует, что величина тока возбуждения 3, также будет постоянной, независимо от параметров генератора 1 переменного напряжения, управляемого делителя 2 напряжения, фильтра 3, усилителя 4, коммутатора 5, первичной обмотки компенсационного трансформатора 6 и обмотки возбуждения вихретокового датчика 7.

Вносимое напряжение, возникающее при установке вихретокового датчика 7 на контролируемый материал, усиливается первым усилителем 16 н поступает на первый вход фаэоизмерителя 15,. которыЯ измеряет его фазу. На второй вход фазоизмернтеля 15 подается опорный сигнал с резистора 8. Так как фаза вносимого напряжения однозначно связана с удель. ной электропроводностью материала, то выходной сигнал фаэоизмерителя 15 также будет пропорционален удельной электропроводности. Напряжение с выхода фазоиэмерителя 15 поступает на первые входы блоков. 18 и вычитания.

Режим коррекции погрешности измерения устройства реализуется при отводе вихретокового датчика от поверхности материала. Амплитуда напряжения на измерительной обмотке датчика 7 изменяется и срабатывает ° подключенный к ней амплитудный селектор 17. Сигнал на его выходе становится равным логической, 1 ™ .

Он открывает по вторым входам элементов 21 и 22, а также переключает коммутатор 5 . в другое состояние. В результате ток возбуждения

1070464 (3) где -Ол к

55 от второго выхода коммутатора 5 протекает только по виткам второй секции первичной обмотки компенсирующего трансформатора 6. При этом напряжение вторичной обмотки компенсационного трансформатора только частично компенсирует напряжение холостого хода вихретокового датчика 7 и на входе усилителя 16 возникает напряжение разбаланса, амплитуда и фаза которого зависят от величины . тока возбуждения, количества витков обмоток вихретокового датчика 7 и компенсирующего трансформатора 6 и электрических параметров измерительной обмотки датчика 7 и вторичной обмотки компенсирующего трансформатора 6. Так как количество витков обмоток неизменно, а величина тока возбуждения поддерживается постоянной, то фаза сигнала разбаланса в режиме коррекции зависит только от электрических параметров измерительной обмотки вихретокового датчика 7 и вторичной обмотки трансформатора 6. Амплитуда сигнала разбаланса при постоянной величине то-. ка возбуждения зависит от соотношения числа витков секций первичной, обмотки трансформатора 6 и от магнитной связи его вторичной обмотки с каждой из секций первичной обмотки.

Соотношение витков секций первичной обмотки трансформатора 6 и магнитную связь его.вторичной обмотки с каждой из секций первичной обмотки устанавливают таким, чтобы амплитуда сигнала раэбаланса,соответствовала амплитуде вносимого напряжения в диапазоне измеряемых значений удельной электропроводности.

В режиме коррекции на выходе фазо:измерителя 15 имеется, некоторое постоянное напряжение (1як, пропорциональное фазе сигнала раэбаланса.

При .настройке, когда устройство работает в режиме коррекции, величину напряжения источника 14,опорного на,пряжения устаналивают равной величине напряжения фазоиэмерителя 15 в момент настройки 0 кл

Напряжение на выходе блока 13 вычитания в этом случае равно нулю.

Реверсивный счетчик 23 сброшен в. нулевое состояние и выходное напряжение цифроаналогового преобразования 24 также равно нулю. Если в последующем вследствие действия дестабилизирующих факторов изменяются параметры вихретокового датчика 7, компенсирующего трансформатора 6, усилителя 16 и фазоиэмерителя 15, то при очередной коррекции выходной. сигнал фаэоиэмерителя 15 уже не будет равен значению лзкм ° На выходе блока 13 вычитания появится разностный сигнал <3 "% - бич

5 выходной сигнал фазоизмерителя 15 прн очеред" ной коррекции.

Это разностное напряжение в свою

-очередь сравнивается блоком 12 срав(0 нения с выходным напряжением 0 цифроаналогового преобразователя 24.

Если Олу >Ою, то на первом выходе блока 12 сравнения появится сигнал логической 1, который открывает элемент 21 по третьему входу и счетные импульсы от формирователя 25 счетных имцульсов поступают на вход прямого счета. реверсивного счетчика 23,:в котором записывается соот20 ветствующий код. Этот код преобразуется цифроаналоговым преобраэова* \ телем 24 в пропорциональное напряжение Uzq . И как только оно станет равным напряжению ЬлЗ, сигнал

25 на первом выходе блока 12 сравнения станет равным нулю и поступление импульсов в счетчик 23 прекратится.

Если же Оц C. Ugq, то сигнал логической 1 появится на втором выходе блока 12 сравнения и им30 пульсы от формирователя 25 через ! элемент 22 будут поступать на вход инверсного счета реверсивного счетчика 23. Код в счетчике и соответственно напряжение цифроаналогового

35 преобразователя 24 будут уменьшаться, пока напряжения на входах блока 12 сравнения не сравняются:

Uqq = 1 лЗ = (к — U „ (4) т.е. выходное напряжение ЦАП.24 равно по величине и знаку сигналу овмбки, возникающей из-эа нестабильности параметров вихретокового датчика 7., компенсирующего трансформато- ра 6, предварительного усилителя 16 и фазоизмерителя 15. В ходе последующих измерений элементы 21 и 22> закрыты нулевым сигналом с выхода амплитудного селектора 17. Код в .счетчике 23 и напряжение на выходе цифроаналогового преобразователя 24., при этом не меняются. Напряжение Ugg поступает также на второй вход бло ка 18 вычитания н вычитается иэ выходного сигнала фазоизмернтеля 15.

Тем самым компенсируется погрешность от нестабильности параметров вихретокового датчика 7, компенсирующего трансформатора 6, предварительного усилителя 16 и фазоизмерителя 15. В результате повышается точность измерений по сравнению с известным устройством в 5-10 раэ.

1070464

Составитель В.Новожилов

Редактор С.Квятковская ТехредМ.Гергель

Корректор Г.Решетник

Подписное

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 11673/42 Тираж 823

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5