Устройство для контроля заданного погонного сопротивления микропровода в стеклянной изоляции

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в технологическом оборудовании при производстве микропровода в стеклянной изоляции. Устройство содержит два цилиндрических проходных электрода 2,3, два генератора 4,5 переменного напряжения, управляемый ключ 6, образцовый конденсатор 7, операционный усилитель 8, два одинаковых сопротивления 9,10, блок 11 управления, два преобразователя 12, 13 напряжение-код, вычислительный блок 14. Устройство позволяет расширить диапазон измеряемых сопротивлений. 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в технологическом оборудовании при производстве микропровода в стеклянной изоляции с заданным погонным сопротивлением.

Известно устройство для контроля заданного погонного сопротивления микропровода в стеклянной изоляции, содержащее два электрода, относительно которых перемещается контролируемый провод, генератор переменного тока, выполненный с плавающей средней точкой и снабженный элементом, управляющим ее положением, к которому подключен фазочувствительный усилитель, задатчик образцового сопротивления и индикатор [1] Известное устройство характеризуется относительной сложностью, обусловленной наличием фазочувствительного усилителя, задатчика сопротивления, генератора переменного тока с плавающей средней точкой и связей между ними, которые должны быть точно настроены для фиксации среднего положения плавающей точки генератора переменного тока, что особенно проявляется при переналадке устройства на измерение погонного сопротивления микропроводов других номиналов и приводит к дополнительным материальным и трудовым затратам.

Известно также устройство для контроля заданного погонного сопротивления микропровода в стеклянной изоляции, содержащее два цилиндрических проходных электрода, два генератора переменного напряжения, управляемый ключ, образцовый конденсатор, блок управления, два преобразователя напряжение-код и вычислительный блок. Измеряемый провод пропускается сквозь цилиндрические проходные электроды, первый из которых через управляемый ключ соединен попеременно с двумя генераторами переменного напряжения и с входом первого преобразователя напряжение-код, разрядные выходы кода которого соединены с первой шиной данных вычислительного блока, а второй выход готовности данных соединен с первым входом разрешения записи в память вычислительного блока, второй цилиндрический проходной электрод соединен через образцовый конденсатор с общей шиной и с входом второго преобразователя напряжение-код, разрядные выходы кода которого соединены с второй шиной данных вычислительного блока, а второй выход готовности данных соединен с вторым входом разрешения записи в память вычислительного блока, выход конца записи вычислительного блока соединен с входом блока управления, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с управляющим входом управляемого ключа, с входами начала преобразования первого и второго преобразователей напряжение-код [2] Известное устройство характеризуется относительно малым диапазоном измерения погонного сопротивления микропровода, особенно с высоким омическим сопротивлением, при котором напряжение на выходе на втором электроде очень мало, что приводит к снижению точности измерения.

Целью настоящего изобретения является расширение диапазона измерений устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве для контроля заданного погонного сопротивления микропровода в стеклянной изоляции, содержащем два цилиндрических проходных электрода, два генератора переменного напряжения, управляемый ключ, образцовый конденсатор, два преобразователя напряжение-код, блок управления и вычислительный блок, причем два источника переменного напряжения соединены с постоянными контактами управляемого ключа, переключающийся контакт которого соединен с первым цилиндрическим проходным электродом и с первым входом первого преобразователя напряжение-код, разрядные выходы кода которого соединены с первой шиной данных вычислительного блока, а второй выход готовности данных соединен с первым входом разрешения записи в память вычислительного блока, выход "Конец записи" которого соединен с входом блока управления, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с управляющим входом управляемого ключа, вторым входом первого преобразователя напряжение-код и вторым входом второго преобразователя напряжение-код, разрядные выходы кода которого соединены с второй шиной данных вычислительного блока, а второй выход готовности данных соединен с вторым входом разрешения записи в память вычислительного блока, второй цилиндрический проходной электрод соединен с одним выводом образцового конденсатора, введены операционный усилитель и два одинаковых сопротивления, при этом второй цилиндрический проходной электрод соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, выход которого соединен с вторым выводом образцового конденсатора, первым входом второго преобразователя напряжение-код и через первое сопротивление с неинвертирующим входом операционного усилителя, который через второе сопротивление соединен с общей шиной.

Использование в предлагаемом устройстве операционного усилителя (ОУ) позволяет расширить диапазон измерений.

На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 эквивалентная схема преобразователя; на фиг. 3 схема блока управления; на фиг. 4 а и б схемы преобразователей напряжение-код.

Устройство (фиг. 1) содержит измеряемый микропровод 1, два цилиндрических проходных электрода 2 и 3, l_x расстояние между электродами, два генератора переменного напряжения 4 и 5, управляемый ключ 6, образцовый конденсатор 7, операционный усилитель (ОУ) 8, два одинаковых сопротивления 9 и 10 (R₁ и R₂ соответственно), блок 11 управления, два преобразователя 12 и 13 напряжение-код и вычислительный блок 14.

Измеряемый микропровод 1 пропускается сквозь цилиндрические проходные электроды 2 и 3. Первый электрод 2 через управляемый ключ 6 соединен попеременно с генераторами 4 и 5 переменного напряжения и с первым входом первого преобразователя 12 напряжение-код, разрядные выходы кода которого соединены с первой шиной данных вычислительного блока 14, а второй выход готовности данных соединен с первым входом разрешения записи вычислительного блока 14, второй цилиндрический проходной электрод 3 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 8, выход которого соединен через образцовый конденсатор 7 с инвертирующим входом операционного усилителя 8, через одно сопротивление 10 с неинвертирующим входом, который через второе сопротивление 9 соединен с общей шиной, выход операционного усилителя 8 соединен также с первым входом второго преобразователя 13 напряжение-код, разрядные выходы кода которого соединены с второй шиной данных вычислительного блока 14, а второй выход готовности данных соединен с вторым входом разрешения записи в память вычислительного блока 14, выход "Конец записи" которого соединен с входом блока 11 управления, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с управляющим входом управляемого ключа 6, вторыми входами первого и второго преобразователей 12 и 13 напряжение-код.

На фиг. 2 участок провода между электродами 2 и 3 длиной l_x имеет сопротивление R_x, конденсаторы, образуемые электродами 2 и 3 с измеряемым проводом 1, имеют емкости С₁ и С₂, суммарная емкость C_xC₁C₂/(C₁+C₂), CH емкость образцового конденсатора, R₁-R₂ делитель напряжения на два.

Устройство работает следующим образом. По сигналу "Пуск" блока 11 управления управляемый ключ 6 подключает к измерительной цепи первый генератор 4 переменного напряжения с частотой ω₁ и запускаются последовательно во времени преобразователи 12 и 13 напряжение-код, которые преобразуют в код соответственно амплитуду напряжения U₀₁ на первом электроде 2 и U₁ на выходе операционного усилителя 8, значения которых заносятся в память вычислительного блока 14, который по окончании записи выдает в блок 11 управления последовательно два сигнала, в результате в блоке 11 управления вырабатываются сигналы, которые подключают к цепи второй генератор 5 переменного напряжения с частотой ω₂ и запускают преобразователи 12 и 13, которые преобразуют в код амплитуды напряжений U₀₂ на первом электроде 2 и U₂ на выходе операционного усилителя 8, значения которых заносятся в память вычислительного блока 14, после чего вычисляются значения , где k₁= и k₂= отношения амплитуд напряжений на двух частотах ω₁ и ω₂ при измерении контролируемого провода.

Но предварительно проводятся измерения при протяжке сквозь проходные цилиндрические электроды 2 и 3 эталонного провода сопротивлением R_э и вычисляется значение , которое заносится в память вычислительного блока 14, как константа, где k_э1U_0э1/U_э1 и k_э2 U_оэ2/U_э2 отношения амплитуд напряжений на двух частотах ω₁ и ω₂ при измерении эталонного провода.

Сравнивая в вычислительном блоке 14 результаты измерений эталонного провода и контролируемого провода, определяют относительное погонное сопротивление, которое характеризует отклонение текущего значения сопротивления провода от эталонного: .

Если в устройстве-прототипе при заданном отношении номинального сопротивления к эталонному R_н/R_э а, то при 0,1≅ а ≅ 10 можно охватить диапазон контролируемого сопротивления провода в 2 порядка при сравнении только с сопротивлением одного эталонного провода; в предлагаемом устройстве диапазон можно увеличить более чем на один порядок в сторону измерения сопротивления проводов с большим омическим сопротивлением, что осуществляется за счет повышения чувствительности устройства.

Блок 11 управления (фиг. 3) содержит два ключа 15 и 16, двоичный счетчик 17, триггер 18, два элемента задержки 19 и 20. При этом вычислительный блок 14 через ключ 15 соединен с двоичным счетчиком 17, который соединен с первым входом триггера 18, выход которого соединен с управляющим входом управляемого ключа 6 и через элементы задержки 19 и 20 с преобразователями 12 и 13 напряжение-код. Через ключ 16 на второй вход триггера 18 подается положительное напряжение. При включении ключа 16 на вход триггера 18 подается положительное напряжения, триггер 18 срабатывает и подключает к цепи генератор 4 переменного напряжения с частотой ω₁ и через элементы задержки 19 и 20 последовательно во времени запускает преобразователи 12 и 13 напряжение-код соответственно. По поступлению на вход блока 11 управления сигналов об окончании записи в память вычислительного блока амплитуд напряжений U₀₁ и U₁ срабатывает двоичный счетчик 17, который запускает триггер 18, сигнал которого подключает через управляющий ключ 6 второй генератор 5 переменного напряжения с частотой ω₂, а также через элементы задержки 19 и 20 последовательно во времени запускает преобразователи 12 и 13 напряжение-код и значения амплитуд напряжений U₀₂ и U₂ заносятся в память вычислительного блока 14, а затем происходят вычисления, сравнения с эталонным микропроводом R_x/R_э. Далее двумя последовательными сигналами вычислительного блока 14 запускается двоичный счетчик 17 и через триггер 18 и ключ 6 к цепи подключается первый генератор 4 переменного напряжения с частотой ω₁ и осуществляется второй цикл двухтактовых измерений до тех пор, пока ключом 15 не будет остановлена работа блока 11 управления.

Преобразователи 12 и 13 напряжение-код (фиг. 4а,б) аналогичны и содержат амплитудные детекторы 21 и 23 и функционально-законченные аналого-цифровые преобразователи 22 и 24 типа К1113ПВ1, в которых имеются клеммы 10-разрядного цифрового выхода, готовности данных, начала преобразования, аналогового входа и питания.

В качестве вычислительного блока 14 могут использоваться стандартные микропроцессорные наборы, которые могут реализовать выполнение предлагаемого решения с выдачей конечного результата измерения в различном виде (печатном, дисплейном на мониторе, табло) (см. Микропроцессоры./Под ред. Л.И. Преснухина. Минск, Высшая школа, том 1 и 2, 1987).

При равенстве сопротивлений 9 и 10 (R₁ R₂) токи во входной цепи операционного усилителя 8 (фиг. 2) и на выходе равны. Тогда , (1) где и комплексные напряжения на входе цепи (фиг. 2) и на выходе операционного усилителя; K_y коэффициент усиления операционного усилителя; Z_x R_x + +1/j ωC_x комплексное сопротивление системы электрод-микропровод-электрод (фиг. 2), R_x сопротивление микропровода длиной l_x между двумя электродами, C_x суммарная емкость двух конденсаторов, образованных электродами и микропроводом емкостью C₁и C₂ соответственно.

С_х C₁C₂/(C₁ + C₂), где Z_c= сопротивление конденсатора обратной связи.

Преобразуя (1), получим - + -jωC_oR + . (2) Квадрат модуля (2) - + +ω²C²_oR + . (3) Модули комплексного напряжения есть соответственно наблюдаемые амплитуды напряжений U_o и U_вых. Условно обозначим отношение U_o/U_выхчерез k. Тогда
k² - + -ω²C²_oR + . (4)
При измерениях на двух частотах ω₁ и ω₂ входных сигналов получаем систему из двух уравнений с тремя неизвестными С_х, R_x и K_y:
, (5) где k₁= и k₂= отношения амплитуд напряжений на двух частотах входных сигналов ω₁ и ω ₂ при контроле измеряемого микропровода.

Решение (5) относительно
R_x= . (6)
При измерении стандартного микропровода получим
R_э= . (7)
Отношение (6) к (7) даст значение отклонения погонного сопротивления контролируемого микропровода
. (8)
Соотношение частот ω₁ и ω ₂ можно определить из погрешности (6) из-за нестабильности частот ω₁ и ω ₂
ΔR_xω= + , (9) где ΔR_x, Δ ω₁, Δ ω ₂ абсолютные погрешности соответствующих величин.

Продифференцировав (6) и проведя преобразования, получим
γ(R_x)_ω= , (10) где γ(R_x)_ω= относительная погрешность результата измерения сопротивления провода.

Полагая, что Δω₁ и Δω ₂ малы, одного порядка и примерно равны
Δω₁≈ Δω ₂ Δω то получим
γ(R_x)_ω= -. (11)
Абсолютная величина (11) имеет минимальное значение при ω₁:ω ₂ 1, что не имеет смысла. Поэтому из удобств вычислительных операций выбирается соотношение ω₁ ω₂ 0,8, при котором погрешность (10) близка к минимальному значению. Погрешность (6) из-за нестабильности коэффициента усиления Ky операционного усилителя
γ(R_x)= , (12) где γ(K_у) относительная погрешность коэффициента усиления операционного усилителя.

Погрешность конечного результата измерения R_x/R_э определяется полным дифференциалом (8)
Δ(R_x/R_э)= k₁+ k₂+ k_э1+ k_Э2, (13) где Δ(R_x/R_э), Δ k_1, Δ k₂, Δk_э1, Δ k_э2 абсолютные погрешности соответствующих величин.

Продифференцировав (8) и проведя преобразования, получим
γ(R_x/R_э) , (14) где γ(R_x/R_э) относительная погрешность результата измерения.

Полагая, что погрешности отношений напряжений k на обеих частотах малы, одного порядка и примерно равны
Δk₁ ≈ Δk₂ Δ k
Δk_э1≈ Δ k_э2 Δ k_э, получим
γ(R_x/R_э) . (15)
При близких значениях частот близки значения отношений напряжений, каждая дробь в выражении (15) принимает близкое к минимальному значение, а выражение (15) разность двух близких по значению погрешностей, которые имеют один знак.

Для определения эффекта расширения диапазона измерения рассмотрим действительную составляющую (2), которая всегда будет больше нуля
- + > 0. (16)
Из (16) получим
> . (17)
Эффект расширения диапазона измерений достигается при выполнении условия
β < . (18)
При известном диапазоне изменения значения R_x сопротивления провода по отношению к R_э может быть выполнено путем соответствующего выбора С_о емкости конденсатора обратной связи, что позволяет, помимо расширения динамического диапазона, повысить точность измерения за счет уменьшения погрешности, обусловленной конечным значением K_y (12).

В предлагаемом устройстве, согласно (2), измеряется эквивалентное сопротивление провода R_хэ, которое меньше, чем истинное R_x.

R_xэ= R + (19)
+ . (20)
Таким образом, введение операционного усилителя и двух сопротивлений позволяет расширить диапазон измерения устройства для контроля заданного погонного сопротивления микропровода в стеклянной изоляции.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЗАДАННОГО ПОГОННОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ МИКРОПРОВОДА В СТЕКЛЯННОЙ ИЗОЛЯЦИИ, содержащее два цилиндрических проходных электрода, два генератора переменного напряжения, управляемый ключ, образцовый конденсатор, два преобразователя напряжение-код, блок управления и вычислительный блок, причем два источника переменного напряжения соединены с постоянными контактами управляемого ключа, переключающийся контакт которого соединен с первым цилиндрическим проходным электродов и первым входом первого преобразователя напряжение-код, разрядные выходы кода которого соединены с первой шиной данных вычислительного блока, а второй выход готовности данных соединен с первым входом разрешения записи в память вычислительного блока, выход конец записи которого соединен с входом блока управления, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с управляющим входом управляемого ключа, вторым входом первого преобразователя напряжение-код и вторым входом второго преобразователя напряжение-код, разрядные выходы кода которого соединены с второй шиной данных вычислительного блока, а второй выход готовности данных соединен с вторым входом разрешения записи в память вычислительного блока, второй цилиндрический проходной электрод соединен с одним выводом образцового конденсатора, отличающийся тем, что в него введены операционный усилитель и два одинаковых сопротивления, при этом второй цилиндрический проходной электрод соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, выход которого соединен с вторым выводом образцового конденсатора, первым входом второго преобразователя напряжение-код и через первое сопротивление с неинвертирующим входом операционного усилителя, который через второе сопротивление соединен с общей шиной.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4