Вихретоковое измерительное устройство

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может использоваться в автоматизированных системах управления и контроля для определения геометрических и электрофизических параметров неферромагнитных изделий и их перемещений. Технический результат повышение надежности устройства при одновременном уменьшении массы и габаритов. Это достигается благодаря тому, что вихретоковое измерительное устройство содержит управляемый по частоте генератор 1 прямоугольных импульсов, усилитель 2 мощности, вихретоковый преобразователь 3, синхронный детектор 4 и дифференциальный усилитель 5, соединенные последовательно. Вихретоковый преобразователь 3 содержит дифференциально включенные измерительную и компенсационную катушки 6, 7 индуктивности и тестовую катушку 8 индуктивности, индуктивно-связанную с компенсационной катушкой 7. Концы тестовой катушки соединены между собой через управляющий ключ 9, управляющий вход которого через триггер 10 соединен с выходом генератора. Усилитель 2 выполнен в ключевом варианте и состоит из источника 11 постоянного напряжения, двух управляемых ключей 12, 13 и двух резисторов 14, 15, соединенных с катушками 6, 7 вихретокового преобразователя 3 по мостовой схеме. Управляющие входы ключей 12 и 13 соединены с противофазными выходами генератора. Устройство также снабжено дифференциальным усилителем 16, блоком 17 вычитания и тремя накопительными конденсаторами 18-20. Синхронный детектор 4 выполнен на основе четырехканального коммутатора 21, первый и второй выходы коммутатора 21 соединены с общей шиной через конденсаторы 18, 19 и с входами дифференциального усилителя 5. Третий выход коммутатора 21 не используется, а четвертый выход соединен с общей шиной через конденсатор 20. Источник 22 опорного напряжения соединен с вторым входом блока 17 вычитания. 2 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в автоматизированных системах управления и контроля для определения геометрических и электрофизических параметров неферромагнитных изделий и их перемещений.

Известно вихретоковое измерительное устройство для контроля изделий с ограниченным доступом к зоне контроля, содержащее вихретоковый преобразователь, блок обработки сигнала преобразователя, блок коррекции и связанный с ним элемент тестирования, с помощью которых при обработке сигнала преобразователя устраняются погрешности измерений из-за нестабильности самого преобразователя [1] Однако размещение элемента тестирования между вихретоковым преобразователем и объектом контроля приводит к увеличению расстояния между ними, что проявляется в снижении чувствительности преобразователя.

Известно вихретоковое измерительное устройство для контроля параметров изделий, содержащее вихретоковый преобразователь, блок обработки и блок тестирования, периодически подключаемый к преобразователю [2] При отклонении параметров устройства от номинальных происходит отключение индикатора от выхода измерительного устройства.

Однако применение подобного устройства приводит к повышению достоверности индикации, но не к увеличению точности измерения.

Известно вихретоковое измерительное устройство, содержащее управляемый по частоте генератор прямоугольных импульсов, вихретоковый преобразователь, блок обработки и цепь автокоррекции погрешности контроля, состоящую из блока вычитания, источника опорного напряжения и электромеханического функционального преобразователя, входом соединенного с выходом блока вычитания, а выходом с входом регулировки частоты генератора прямоугольных импульсов [3] Электромеханический функциональный преобразователь вращает резисторы частотозадающих цепей генератора прямоугольных импульсов до тех пор, пока сигнал на выходе блока вычитания не будет равен нулю. При этом глубина модуляции выходного сигнала вихретокового преобразователя устанавливается равной номинальному значению.

Однако применение цепи автокоррекции погрешности измерения, выполненной подобным образом, приводит к значительным увеличениям массы и габаритов устройства, усложнению схемы и, как следствие, к снижению надежности.

Задачей изобретения является повышение надежности устройства при одновременном уменьшении массы и габаритов. Повышение надежности достигается применением только статических элементов и упрощением устройства.

Поставленная задача решена тем, что вихретоковое измерительное устройство, содержащее последовательно соединенные управляемый по частоте генератор прямоугольных импульсов, усилитель мощности, вихретоковый преобразователь в виде встречно включенных измерительной и компенсационной катушек индуктивности и индуктивно связанной с последней тестовой катушки индуктивности, и синхронный детектор, блок вычитания, соединенный с одним из его входов источник опорного напряжения и управляемый ключ, включенный между концами тестовой катушки индуктивности, дополнительно снабжено триггером, включенным между управляющим входом управляемого ключа и выходом генератора и двумя дифференциальными усилителями, генератор выполнен в виде симметричного мультивибратора, усилитель мощности в виде источника постоянного напряжения, подключенных к его выходу двух резисторов, вторые выводы которых соединены соответственно с компенсационной и измерительной катушками индуктивности, и двух управляемых ключей, управляющие входы которых соединены с соответствующими выходами генератора, прямые входы подключены к вторым выводам соответствующих резисторов, а выходы к общей шине, а синхронный детектор выполнен в виде коммутатора и трех накопительных конденсаторов, включенных между соответствующими выходами коммутатора и общей шиной, входом синхронного детектора служат объединенные входы коммутатора, два адресных входа коммутатора соединены с одним из выходов генератора, один непосредственно, а другой через триггер, входы первого дифференциального усилителя подключены к первому и второму выходам коммутатора, а его выход является информационным выходом устройства, входы второго дифференциального усилителя подключены к второму и третьему выходам коммутатора, а его выход к второму входу блока вычитания, выход которого соединен с управляющим входом генератора.

Использование данного устройства, содержащего цепь автокоррекции погрешности контроля, выполненную на статических элементах, позволяет производить измерение в труднодоступной зоне изделий длительное время без извлечения преобразователя для его тестирования, снижает относительную погрешность измерения с 2% до (0,1.0,5)% в диапазоне температур (-50.+50)^оС, повышает надежность без увеличения массы и габаритов.

На фиг.1 показана функциональная схема вихретокового измерительного устройства; на фиг.2 временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Вихретоковое измерительное устройство (фиг.1) содержит управляемый по частоте генератор 1 прямоугольных импульсов, усилитель 2 мощности, вихретоковый преобразователь 3, синхронный детектор 4 и дифференциальный усилитель 5, соединенные последовательно.

Вихретоковый преобразователь 3 содержит дифференциально включенные измерительную 6 и компенсационную 7 катушки индуктивности и тестовую катушку 8 индуктивности, индуктивно связанную с компенсационной катушкой 7. Концы тестовой катушки индуктивности соединены между собой через управляемый ключ 9, управляющий вход которого через триггер 10 соединен с выходом генератора прямоугольных импульсов.

Усилитель мощности 2 выполнен в ключевом варианте и состоит из источника постоянного напряжения 11, двух управляемых ключей 12, 13 и двух резисторов 14, 15 соединенных с измерительной 6 и компенcационной 7 катушками вихретокового преобразователя 3 по мостовой схеме. Управляющие входы ключей 12 и 13 соединены с противофазными выходами генератора прямоугольных импульсов.

Устройство также снабжено дифференциальным усилителем 16, блоком 17 вычитания (дифференциальным усилителем) и тремя накопительными конденсаторами 18-20. Синхронный детектор 4 выполнен на основе четырехканального коммутатора 21. Выход вихретокового преобразователя 3 соединен с объединенным входом четырехканального коммутатора 21, первый и второй выходы коммутатора 21 с общей шиной через накопительные конденсаторы 18, 19 и со входами дифференциального усилителя 5. Третий выход коммутатора 21 не используется, а четвертый соединен с общей шиной через накопительный конденсатор 20. Входы дифференциального усилителя 16 соединены с вторым и четвертым выходами коммутатора 21. Выход дифференциального усилителя 16 соединен с одним входом блока 17 вычитания, второй вход которого соединен с источником 22 опорного напряжения. Выход блока 17 вычитания соединен с управляющим входом генератора прямоугольных импульсов.

Вихретоковое измерительное устройство работает следующим образом.

Управляемый генератор 1 (фиг. 1) вырабатывает прямоугольные импульсы, частота которых определяется уровнем управляющего напряжения, пропорционального погрешности измерения и поступающего с выхода блока 7 вычитания, на один из входов которого подается опорное напряжение с источника 22 опорного напряжения. Напряжение с выходов генератора через усилитель 2 мощности подается на измерительную 6 и компенсационную 7 катушки вихретокового преобразователя 3, а с него через синхронный детектор 4 (состоящий из коммутатора 21 и накопительных конденсаторов 18-20) на дифференциальный усилитель 5, на выходе которого формируется основной выходной сигнал всего устройства, пропорциональный информационному параметру. Управляемый генератор, ключевой усилитель мощности и синхронный детектор являются известными устройствами (Дмитриев Ю. С. Схемотехника построения аналоговых электронных блоков на основе цифровых интегральных схем. Сб. Оптоэлектронные и электромагнитные датчики механических величин: Сб. науч.тр. Куйбышев: КуАИ, 1988, 108 с. с. 23-33).

Цикл работы всего устройства разделяется на четыре такта Т1-Т4 (фиг.2): такты Т1-Т2 используются для формирования основного выходного сигнала, такты Т3-Т4 для формирования тестового сигнала преобразователя, Т3 для создания требуемого временного сдвига между тактами Т2, Т4.

В такте Т1 ключ 12 разомкнут, ключ 13 замкнут, напряжение с источника 11 через резистор 14 поступает на измерительную 6 и компенсационную 7 катушки.

В такте Т2 через ключ 13 разомкнут, ключ 12 замкнут, напряжение с источника 11 через резистор 15 поступает на компенсационную 7 и измерительную 6 катушки.

Обе катушки индуктивности 6 и 7 включены по дифференциальной схеме и имеют общую точку, соединенную с входом синхронного детектора 4, сигнал на которой пропорционален разбалансу катушек 6, 7. В оба такта Т1-Т2 ключ 9 разомкнут под воздействием управляющего напряжения с генератора 1. При этом цепь тестовой катушки 8 разорвана и катушка не оказывает на вихретоковый преобразователь 3 никакого влияния.

Напряжение с генератора 1 поступает также на оба адресных входа коммутатора 21, на один непосредственно с генератора 1, на другой через триггер 10. Наличие двух адресных входов коммутатора 21 необходимо для коммутации четырех каналов, требуемых для работы данного устройства.

В такте Т1 (фиг.2) выходной сигнал вихретокового преобразователя через коммутатор 21 поступает на конденсатор 18. Напряжение на конденсаторе 18 пропорционально U1 и несет информацию об объекте контроля (геометрические и электрофизические параметры) и о внутреннем состоянии измерительной катушки 6.

В такте Т2 выходной сигнал вихретокового преобразователя через коммутатор 21 поступает на конденсатор 19. Напряжение на конденсаторе 19 пропорционально U2 и несет информацию об объекте контроля и о внутреннем состоянии компенсационной катушки 7.

В случае идентичности измерительной 6 и компенсационной 7 катушек на выходе дифференциального усилителя 5 будет присутствовать сигнал, пропорциональный Δ U1 U1 U2, несущий информацию только об объекте контроля и свободный от влияния мешающих факторов. Однако технологический разброс не позволяет изготовить катушки 6 и 7 абсолютно идентичными возникает небаланс катушек. Помимо этого, другие элементы устройства, а также возникший небаланс подвержены температурной и временной нестабильности. В результате относительная погрешность измерения достигает (-2.+ 2)% в диапазоне температур (-50. +50)^оС. Встает задача постоянной компенсации выходного сигнала устройства на величину погрешности, которую и призвана решить цепь авто- коррекции: накопительные конденсаторы 19, 20, дифференциальный усилитель 16, блок 17 вычитания, регулируемый генератор 1.

В тактах Т3-Т4 под управлением генератора происходит замыкание управляемого ключа 9 и в тестовой катушке 8 возникают вихревые токи, наводимые компенсационной катушкой 7.

В такте Т4 вход коммутатора 21 соединен с конденсатором 20 и происходит заряд конденсатора напряжением, пропорциональным U4 и несущим информацию о параметрах компенсационной 7 и тестовой 8 катушек. Дифференциальный усилитель 16 производит усиление разности напряжений на конденсаторах 19, 20, а его выходной сигнал, пропорциональный Δ U2 U4 U2, несет информацию о нестабильности устройства. Этот сигнал, после вычитания из него опорного напряжения U_оп в блоке 17 вычитания поступает на управляющий вход управляемого генератора 1. При калибровке устройства в нормальных условиях Δ U2 const и управляющий сигнал, поступающий на генератор 1, постоянен. В случае же изменения электрофизических свойств вихретокового преобразователя Δ U2 изменяется, что приводит к изменению частоты импульсов генератора. В результате происходит устранение той части разбаланса напряжений на измерительной 6 и компенсационной 7 катушках, которая обусловлена нестабильностью элементов устройства.

Изобретение может быть использовано в автоматизированных системах управления и контроля для определения геометрических и электрофизических параметров неферромагнитных изделий авиационной техники и их перемещений.

Формула изобретения

ВИХРЕТОКОВОЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее последовательно соединенные управляемый по частоте генератор прямоугольных импульсов, усилитель мощности, вихретоковый преобразователь в виде встречно включенных измерительной и компенсационной катушек индуктивности и индуктивно связанной с последней тестовой катушки индуктивности, и синхронный детектор, блок вычитания, соединенный с одним из его входов источник опорного напряжения и управляемый ключ, включенный между концами тестовой катушки индуктивности, отличающееся тем, что оно снабжено триггером, включенным между управляющим входом управляемого ключа и выходом генератора, и двумя дифференциальными усилителями, генератор выполнен в виде симметричного мультивибратора, усилитель мощности выполнен в виде источника постоянного напряжения, подключенным к его выходу двух резисторов, вторые выводы которых соединены соответственно с компенсационной и измерительной катушками индуктивности, и двух управляемых ключей, управляющие входы которых соединены с соответствующими выходами генератора, прямые входы подключены к вторым выводам соответствующих резисторов, а выходы к общей шине, а синхронный детектор выполнен в виде коммутатора и трех накопительных конденсаторов, включенных между соответствующими выходами коммутатора и общей шиной, входом синхронного детектора служат объединенные входы коммутатора, два адресных входа коммутатора соединены с одним из выходов генератора, один непосредственно, а другой через триггер, входы первого дифференциального усилителя подключены к первому и второму выходам коммутатора, а его выход является информационным выходом устройства, входы второго дифференциального усилителя подключены к второму и третьему выходам коммутатора, а его выход к второму входу блока вычитания, выход которого соединен с управляющим входом генератора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2