Пристрій для вихрострумового контролю

Пристрій для вихрострумового контролю, що містить послідовно з’єднані параметричний вихрострумовий перетворювач, що має два входи і три виходи і складається з двох послідовно ввімкнених обмоток, включених між входами, перший вихід з’єднаний з першим входом, другий ви хід з’єднаний з точкою з’єднання обмоток, третій вихід з’єднаний з другим входом, та модулятор, що має перший, другий та третій сигнальні входи, з’єднані, відповідно, з першим, другим та третім виходами параметричного вихрострумового перетворювача, один керуючий вхід та ви хід і складається з першого і др угого комутаторів, кожен з яких виконаний з двома сигнальними входами, одним керуючим входом та одним виходом, а також диференціальний підсилювач, причому перший сигнальний вхід першого комутатора є першим сигнальним входом модулятора, другий сигнальний вхід першого комутатора з’єднаний з першим сигнальним входом другого комутатора і є другим сигнальним входом U 2 20130 1 3 20130 входом модулятора, другий сигнальний вхід другого комутатора є третім сигнальним входом модулятора, керуючі входи комутаторів з’єднані між собою і є керуючим входом модулятора, вихід першого комутатора з’єднаний з першим входом диференціального підсилювача, вихід другого комутатора з’єднаний з другим входом диференціального підсилювача, а вихід диференціального підсилювача є виходом модулятора, а також послідовно з’єднані підсилювач змінного струму, синхронний детектор та індикатор, [заявка на патент України №94032300 від 21.03.94, G01N27/90]. Однак схема пристрою є складною, а зменшення впливу флікер-шуму вимагає ідентичності параметрів багатьох елементів, що впливає на поріг чутливості. В основу корисної моделі поставлено завдання створити пристрій вихрострумового контролю, в якому введення нових елементів та зв’язків між ними дозволить спростити конструкцію, зменшити вплив флікер-шуму, що забезпечить зниження порогу чутливості пристрою. Поставлене завдання вирішується тим, що пристрій для вихрострумового контролю, що містить послідовно з’єднані параметричний вихрострумовий перетворювач, що має два входи і три виходи і складається з двох послідовно ввімкнених обмоток, включених між входами, перший вихід з’єднаний з першим входом, другий ви хід з’єднаний з точкою з’єднання обмоток, третій вихід з’єднаний з другим входом, та модулятор, що має перший, другий та третій сигнальні входи, з’єднані відповідно з першим, другим та третім виходами параметричного вихрострумового перетворювача, один керуючий вхід та ви хід і складається з першого і др угого комутаторів, кожен з яких виконаний з двома сигнальними входами, одним керуючим входом та одним виходом, а також диференціального підсилювача, причому перший сигнальний вхід першого комутатора є першим сигнальним входом модулятора, другий сигнальний вхід першого комутатора з’єднаний з першим сигнальним входом другого комутатора і є другим сигнальним входом модулятора, другий сигнальний вхід другого комутатора є третім сигнальним входом модулятора, керуючі входи комутаторів з’єднані між собою і є керуючим входом модулятора, вихід першого комутатора з’єднаний з першим входом диференціального підсилювача, вихід другого комутатора з’єднаний з другим входом диференціального підсилювача, а вихід диференціального підсилювача є виходом модулятора, а також послідовно з’єднані підсилювач змінного струму, перший синхронний детектор та індикатор, згідно корисної моделі додатково містить послідовно з’єднані генератор прямокутних імпульсів з шпаруватістю два, подільник частоти, перший смуговий фільтр, підсилювач потужності, послідовно з’єднані другий смуговий фільтр та другий синхронний детектор, причому виходи підсилювача потужності з’єднані з входами параметричного вихрострумового перетворювача, вихід модулятора з’єднаний з входом другого смугового фільтра, вихід др угого синхронного детектора з’єднаний з входом підсилювача змінного струму, керуючий 4 вхід модулятора та керуючий вхід др угого синхронного детектора з’єднані з виходом генератора прямокутних імпульсів, керуючий вхід першого синхронного детектора з’єднаний з виходом подільника частоти. Введення генератора прямокутних імпульсів з шпаруватістю два, подільника частоти та першого смугового фільтра дозволило забезпечити частоту порівняння вищу від робочої частоти, що в свою чергу зменшує вплив флікер-шуму та спрощує конструкцію. Введення другого смугового фільтра призводить до формування амплітудне модульованого сигналу з подавленою несучою, що дозволяє підвищити завадостійкість майже в три рази [Бучма І.М., Ми хайлович Л.Ф. Зниження порогу чутливості низькочастотного одноканального тракту товщиноміра сталевих листових конструкцій // Методи та прилади контролю якості. - 2003. - №10. - с.22-23] та спрощує конструкцію. Введення другого синхронного детектора дозволило забезпечити детектування амплітудне модульованого сигналу з подавленою несучою, що підвищує вибірність пристрою [напр., Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. Ч.II. - М: Советское радио, 1967. - 328с.] та дозволяє спростити конструкцію. На Фіг.1 зображена структурна схема пристрою, а на Фіг.2 - часові діаграми. Пристрій складається з послідовно з’єднаних генератора 1 прямокутних імпульсів зі шпаруватістю два, подільника частоти 2, першого смугового фільтра 3, підсилювача 4 потужності, параметричного вихрострумового перетворювача 5, що містить послідовно з’єднані першу обмотку 6 та другу обмотку 7, включені між входами, модулятора 8, що складається з першого комутатора 9 та другого комутатора 10, кожен з яких виконаний з двома сигнальними входами, одним керуючим входом і одним виходом, та диференціального підсилювача 11, причому перший сигнальний вхід першого комутатора 9 з’єднаний з точкою з’єднання підсилювача потужності 4 і першої обмотки 6 параметричного вихрострумового перетворювача 5, другий сигнальний вхід першого комутатора 9 і перший сигнальний вхід другого комутатора 10 з’єднані з точкою з’єднання першої обмотки 6 і другої обмотки 7 параметричного вихрострумового перетворювача 5, другий сигнальний вхід другого комутатора 10 з’єднаний з точкою з’єднання підсилювача потужності 4 і другої обмотки 7 параметричного вихростр умового перетворювача 5, вихід першого комутатора 9 з’єднаний з першим входом диференціального підсилювача 11, вихід др угого комутатора 10 з’єднаний з другим входом диференціального підсилювача 11, а вихід диференціального підсилювача 11 є виходом модулятора 8, сигнальні входи комутаторів 9, 10 з’єднані між собою і є сигнальним входом модулятора 8, другого смугового фільтра 12, першого синхронного детектора 13, підсилювача 14 змінного струму, др угого синхронного детектора 15, індикатора 16, причому сигнальний вхід модулятора 8 та сигнальний вхід першого синхронного детектора 13 з’єднані з виходом генератора 1 прямокутних імпульсів з шпа 5 20130 руватістю два, сигнальний вхід другого синхронного детектора 15 з’єднаний з виходом подільника частоти 2. Пристрій працює таким чином. Генератор 1 прямокутних імпульсів зі шпаруватістю два формує імпульси високої частоти (Фіг.2а), подільник частоти 2 формує імпульсну послідовність низької частоти (Фіг.2б), перша гармоніка якої виділяється першим смуговим фільтром 3, підсилюється підсилювачем потужності 4 і подається на вихрострумовий перетворювач 5. На обмотці 6 діє синусоїдальна напруга u1, на обмотці 7 діє синусоїдальна напруга u2 (Фіг.2в). Різниця амплітуд напруг на обмотках 6, 7 вихрострумового перетворювача 5 пропорційна до товщини вимірюваного металу. На вхід диференціального підсилювача 11 модулятора 8 в перший півперіод комутації надходить напруга з першої обмотки 6 вихростумового перетворювача 5, в другий півперіод комутації надходить напруга з другої обмотки 7 вихростумового перетворювача 5. Тепер вихідну напругу диференціального підсилювача 11 модулятора 8 можна подати у вигляді суми двох напруг: u ДП (t ) = u1 (t ) × F ¢( t ) + u 2 ( t ) × F¢¢( t ) , (1) де u1( t ) = um1 sin(w t ) , u2 ( t ) = um2 sin(wt ) відповідно напруги синусоїдальної форми на першій обмотці 6 та другій обмотці 7 параметричного вихрострумового перетворювача 5, коефіцієнт підсилення диференціального підсилювача прийнято рівним одиниці, F ¢( t ) , F ¢¢( t ) модулюючі функції: ì T ï0, - 2 £ t < 0 ¢( t ) = ï F , (2) í ï1 0 £ t < T , ï î 2 ì T ï1, - 2 £ t < 0 ¢( t ) = ï F , (3) í ï0, 0 £ t < T ï î 2 де Т=2 p / W , - період комутації, W - частота комутації. Розклавши F ¢( t ) і F ¢¢( t ) в ряд Фур’є, отримаємо [у відповідності з Измерительные устройства с коммутационно-модуляционными преобразователями. Скрипник Ю.А. - Киев: Вища школа, 1975. - 256с.]: 6 F ¢( t) = F ¢( t ) = 1 2 + 2 p 1 2 + 2 p ¥ å n=1 ¥ å n =1 sin((2 n - 1)Wt ) , 2n - 1 (4) sin((2n - 1)Wt ) , 2n - 1 (5) тоді (1) з врахуванням (4), (5): é 1 2 u ДП( t) = u m1 sin(wt) ê + ê2 p ë ù ¥ 2n å sin((2n - 1)Wt ) úúû + u -1 m2 n=1 é 1 2 sin(wt) × ê + ê2 p ë ù ¥ . 2n - 1 å sin((2n - 1) Wt) úúû (6) n=1 Тут через малі фазові зсуви між напругами обмоток вихрострумового перетворювача 5 їх вважаємо синфазними. Напруга на виході диференціального підсилювача 11 зображена на Фіг.2г. Розкривши дужки і здійснивши тригонометричні перетворення: ¥ ¥ ù. um 1 + um 2 um 1 - um 2 é cos(wt - ( 2n - 1) Wt) cos(wt - ( 2n - 1)W t) u ДП( t) = 2 sin(wt) + p å ê ê ë n=1 2n - 1 å n= 1 2n - 1 ú ú û Другий смуговий фільтр 12 пропускає частоти в околі частоти W і придушує решту частот, тому напруга на виході другого смугового фільтра 12 (Фіг.2г): u СФ12 (t ) = k СФ12 u m1 - u m2 (cos((W - w )t ) - cos((W + w )t )) ,(8) p де kсф12 - коефіцієнт передачі другого смугового фільтра 12 на частотах [ W - w; W + w ]. Синхронний детектор 13 керується частотою W від генератора 1. В загальному в перший півперіод керуючої напруги синхронний детектор подає на вихід вхідний сигнал, в другий півперіод керуючої напруги - сигнал протилежний до вхідного. Тобто напруга на виході синхронного детектора без врахування вихідного фільтра синхронного детектора: u СД ( t) = u в хСД( t ) × F ¢ (t ) , (9) де uвх СД(t) - вхідна напруга синхронного детектора, ì T , ï- 1 - 2 £ t < 0 ï F¢¢ (t ) = í . (10) ï 1, 0 £ t < T ï î 2 ¢¢ (t ) в ряд Фур’є, одержуємо: Розклавши F F ¢¢(t ) = 4 p ¥ å n=1 sin((2n - 1)Wt ) . 2n - 1 (11) Тоді: u СД (t ) = u в х СД ( t ) × 4 p ¥ å n=1 sin((2n - 1)Wt ) . 2n - 1 (12) Тому напруга на вході вихідного фільтра синхронного детектора 13 буде: u¢ 13 (t ) = k СФ12 СД 4k Ф12 u m1 - u m2 4 (cos((W - w)t ) - cos((W - w)t )) × p p um1 - u m2 1 × 2 p2 ¥ å n=1 ¥ å n=1 sin((2n - 1)W t ) = 2n - 1 æ sin((2n - 2 )W t + w t ) + sin(2nWt - wt ) sin((2n - 2 )Wt - w t ) + sin(2nWt + wt ) ö ç ÷ 2n - 1 2n - 1 è ø На виході фільтра синхронного детектора 13, який пропускає частоти в околі частоти w і придушує решту часто т, напруга: (7) (13) 7 20130 8 u m1 - u m2 1 u - u m2 × (sin(w t ) + sin(w t )) = 4 k СД13 k СФ12 m1 sin(w t ) , (14) 2 p2 p2 де kСД13 - коефіцієнт передачі вихідного фільтСинхронний детектор 15 керується частотою ра синхронного детектора 13 в околі частоти w . w з ви ходу подільника частоти 2. Напруга на вході Напруга на виході синхронного детектора 13 зобвихідного фільтра синхронного детектора 15 у ражена на Фіг.2д. відповідності з (12) з врахуванням того, що керуюча частота дорівнює w : u СД13 ( t) = 4 k СД13 k СФ12 u ¢ 15 ( t) = 4k 14k СД13 k СФ12 СД 4 k14 k СД13k СФ12 u m1 - u m 2 p2 u m1 - u m2 p2 1 × 4× 2 ¥ å n =1 sin(wt) × 4 p ¥ å n=1 sin((2n - 1)wt ) = 2n - 1 k14 - коефіцієнт передачі підсилювача 14. Вихідний фільтр синхронного детектора 15 є низькочастотним фільтром, що пропускає частоти u СД15 = 8k СДk 14 k СД13 k СФ12 8k СДk 14 k СД13 k СФ12 u m1 - u m2 u m1 - u m2 p 3 p 3 + , (16) (1 - k P cos( 2 wt)) Флікер-шум, що присутній в напругах на обмотках 6, 7 вихрострумового перетворювача 5 також проходить через вимірювальний канал пристрою. При цьому з виходу модулятора 8 знімається амплітуда напруги кожної частотної складової шуму першої обмотки 6 в перший півперіод комутації, а другої обмотки 7 в другий півперіод комутації у відповідності з виразом (7): u m1ф-ш + um 2ф-ш u m1ф -ш + um 2ф-ш 2 (15) в околі нульової частоти, тому на виході синхронного детектора 15 напруга: (cos( 0 ) - k P cos( 2 wt )) = де kСД15 - коефіцієнт передачі вихідного фільтра синхронного детектора 15 в околі нульової частоти, kП - коефіцієнт пульсацій фільтра. Напруга на виході синхронного детектора 15 зображена на Фіг.2е. Таким чином на виході пристрою є напруга, що пропорційна до різниці амплітуд напруг на обмотках вихростр умового перетворювача. u Д Пф-ш (t ) = , cos((2n - 2 )wt) - cos(2n wt ) 2n - 1 sin(w¢t ) + 2 , ¥ é ¥ cos(w¢t - (2n - 1)wt ) cos(w¢t + (2n - 1)wt) ù ê ú ê 2n - 1 2n - 1 ú n =1 ë n=1 û å å де uДПф-ш(t) - напруга зумовлена флікер-шумом на виході модулятора 8, um1ф-ш та um2ф-ш - амплітудні напруги частотної складової w ¢ флікершуму відповідно на першій обмотці 6 та другій обмотці 7 вихрострумового перетворювача 5. Амплітуди напруг шуму на обмотках є близькими за значеннями, оскільки амплітуди напруг корисного сигналу на обмотках є близькими. Однак шум не є періодичним процесом, кожна час uСФ12ф-ш (t ) = k СФ12 um1ф-ш + u m2ф-ш 2 де w¢¢ - частотні складові шуму в околі частоти W . Інтенсивність флікер-шуму зменшується з частотою, отже чим більшою є частота комутації, тим меншою є амплітуда напруги зумовлена флікершумом на виході другого смугового фільтра 12, (17) тотна складова присутня лише на певному відрізку часу і з різною амплітудою, тому чим ви ща частота комутації W , тим вища кореляція між напругами флікер-шуму, інтенсивність якого зменшується з частотою, в перший та другий півперіоди комутації, тому др угим доданком у (17) можна знехтувати. Тоді на ви ході другого смугового фільтра 12 буде: sin(w¢¢t ) (18) низькочастотні складові флікер-шуму, які здійснюють найбільший внесок у флікер-шум, відсікаються другим смуговим фільтром 12. Отже зі збільшенням частоти комутації W вплив флікершуму на вимірювання зменшується. 9 Комп’ютерна в ерстка А. Рябко 20130 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601