Пристрій для вимірювання товщини довгомірних матеріалів

Пристрій для вимірювання товщини довгомірних матеріалів, що містить вимірювальний і зразковий ємнісні первинні перетворювачі, що складаються з трьох пластинчатих електродів, крайні з яких є низькопотенціальним і високопотенціальним відповідно, комутатор, коливальний контур, послідовно з'єднані підсилювач низької частоти, синхронний детектор і реєстратор, генератор низької частоти, вихід якого з'єднаний з керуючими входами комутатора і синхронного детектора, та перемикач режиму роботи на два положення, який 38463 електродами накладного ємнісного перетворювача і зниженням точності через діелектричні втрати. Відомий також пристрій для вимірювання товщини довгомірних матеріалів за патентом України № 18196, Кл. G01B7/06, 1997, що містить вимірювальний і зразковий ємнісні первинні перетворювачі, що складаються з трьох пластинчатих електродів, крайні з яких є низькопотенціальним і високопотенціальним відповідно, комутатор, коливальний контур, послідовно з'єднані підсилювач низької частоти, синхронний детектор і реєстратор, генератор низької частоти, вихід якого з'єднаний з керуючими входами комутатора і синхронного детектора, та перемикач режиму роботи на два положення. Крім того, відомий пристрій містить додатковий комутатор, входи якого з'єднані з виходами основних комутаторів, а виходи -з блоком перетворення ємності первинних перетворювачів в напругу постійного струму, блок стабілізації амплітуди коливань вимірювального контуру, вхід якого підключений до виходу блоку перетворення частоти первинних перетворювачів в напругу постійного струму, а вихід - до синхронного детектора. Відомий пристрій має додатковий канал частотного перетворення, який використовується для контролю виробів з провідних матеріалів. Для частотного перетворення використовують залежність власної частоти коливального контуру від внесених втрат. Однак власна частота контуру в основному визначається внесеною ємністю первинного вимірювального перетворювача і мало залежить від внесених діелектричних втрат. Тому виділити інформативну частину частоти коливань, пов'язану тільки з внесеними втратами, важко. В той же час резонансна частота контуру практично не залежить від внесених втрат. Великі зміни амплітуди коливань від внесених втрат в цьому пристрої подавляється блоком стабілізації амплітуди коливань. Крім того, використання двох різнотипних вимірювальних перетворювачів (частотний за допомогою коливального контур у і амплітудний за допомогою ємнісного перетворювача) ускладнює устрій і знижує його метрологічну надійність. Задачею винаходу є створення такого пристрою для вимірювання товщини довгомірних матеріалів, в якому за рахунок введення нових елементів і зв'язків на основі тільки одного частотного перетворення ємності і діелектричних втрат, які вносяться у вимірювальний перетворювач контрольованим матеріалом, забезпечувалось би роздільне вимірювання змін частоти і амплітуди коливань, завдяки чому підвищилася би точність і надійність контролю товщини та інших, пов'язаних з нею параметрів провідних і непровідних матеріалів. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрій для вимірювання товщини довгомірних матеріалів, що містить вимірювальний і зразковий ємнісні первинні перетворювачі, що складаються з трьох пластинчатих електродів, крайні з яких є низькопотенціальним і високо потенціальним відповідно, комутатор, коливальний контур, послідовно з’єднані підсилювач низької частоти, синхронний детектор і реєстратор, генератор низької частоти, вихід якого з'єднаний з керуючими входами комутатора і синхронного детектора, та перемикач режиму роботи на два положення, згідно з винахо дом, в нього введені автогенератор, в коло зворотного зв'язку якого включений коливальний контур, до якого підключені низькопотенціальний і високопотенціальний електроди, коло з послідовно з'єднаних амплітудного обмежувача, диференціатора і формувача прямокутних імпульсів, коло з послідовно з'єднаних амплітудного селектора, підсилювача високої частоти і випрямляча, підключених входами паралельно до виходу авто генератора, і фільтр нижніх частот, який включений між входом підсилювача низької частоти і виходом перемикача, один вхід якого з'єднаний з виходом формувача прямокутних імпульсів, другий вхід з'єднаний з виходом випрямляча, а середній електрод ємнісних перетворювачів з'єднаний з входом комутатора, один вихід якого з'єднаний з низькопотенціальним електродом, другий вихід з'єднаний з високопотенціальним електродом ємнісних первинних перетворювачів. Саме введення в схему пристрою автогенератора, в коло зворотного зв'язку якого включений коливальний контур, дво х кіл, одне з яких складається з амплітудного обмежувача, диференціатора і формувача прямокутних імпульсів, інше - з амплітудного селектора, підсилювача і випрямляча, підключення цих кіл входами до виходу а втогенератора, а виходами до двох входів перемикача режиму роботи пристрою, з'єднання виходу перемикача через фільтр нижніх частот з входом підсилювача низької частоти і далі через синхронний детектор з реєстратором, з'єднання входу комутатора з середнім електродом ємнісних перетворювачів, а виходів комутатора з низькопотенціальним і високопотенціальним електродами, забезпечили можливість роздільного вимірювання змін частоти і амплітуди коливань, завдяки чому підвищується точність і надійність контролю товщини та інших, пов'язаних з нею параметрів провідних і непровідних матеріалів. На кресленні (фіг.) зображена функціональна схема пристрою для вимірювання товщини довгомірних матеріалів. Пристрій містить вимірювальний 1 і зразковий 2 ємнісні первинні перетворювачі, що складаються з низькопотенціального 3 і високопотенціального 4 електродів і проміжного електрода 5, виконаних у вигляді пластин, комутатор 6, входом з'єднаний з проміжним електродом 5, один вихід комутатора 6 з'єднаний з низькопотенціальним електродом 3, другий ви хід - з високопотенціальним електродом 4, коливальний контур 7, до якого підключаються низькопотенціальний 3 або високопотенціальний 4 електроди, автогенератор 8, частота генерації якого визначається параметрами коливального контур у 7, послідовно з'єднані коло з амплітудного обмежувача 9, диференціатора 10, формувача 11 прямокутних імпульсів та коло з амплітудного селектора 12 (обмежувача знизу), підсилювача 13 високої частоти, випрямляча 14, які входами підключені до виходу автогенератора 8, перемикач 15 режиму роботи, входи якого сполучені з виходами формувача 11 і випрямляча 14, а до його виходу підключені послідовно з'єднані фільтр 16 нижніх частот, підсилювач 17 низької частоти, синхронний детектор 18 і реєстратор 19, генератор 20 низької частоти, виходом з'єднаний з 2 38463 де Uk/ і fk/ - амплітуда і частота напруги автогенератора при підключенні вимірювального перетворювача 1 з контрольованим матеріалом; Uk// і fk// амплітуда і частота напруги автогенератора при підключенні зразкового перетворювача 2; F - частота комутації, що задається генератором низької частоти 20. Пакети коливань, що почергово збуджуються, U1(t) і U2(t) можна розглядати як одну безперервну високочастотну напругу, модульовану по частоті і амплітуді з низькою частотою комутації первинних перетворювачів. Модульована напруга з виходу автогенератора 8 надходить на амплітудний обмежувач 9, який з гармонічних коливань за рахунок обмеження зверху формує коливання прямокутної форми. З допомогою диференціатора 10 створюється послідовність коротких імпульсів, з яких формуються прямокутні імпульси постійної вольт-секундної площі блоком 11, наприклад, одновібратором. Частота проходження імпульсів визначається частотою коливань генератора 8. Одночасно модульована напруга з виходу автогенератора 8 поступає на амплітудний селектор 12, де відбувається обмеження амплітуди коливань знизу на заданому рівні. При цьому здійснюється поглиблення амплітудної модуляції, оскільки з кожного пакету коливань з різними амплітудами вирізається постійна нижня частина. Далі модульовані коливання посилюються високочастотним підсилювачем 13 і детектуються шляхом випрямлення в блоці 14. Глибина модуляції визначається втратами, що вносяться в контур 7 контрольованим матеріалом і рівнем селекції амплітуди коливань. При вимірюванні товщини непровідного матеріалу перемикач 15 встановлюють в положення І. Через мале значення діелектричних втрат в непровідному матеріалі в автогенераторі 8 виникає в основному частотна модуляція, а амплітудна модуляція мала. Пакети прямокутних імпульсів з виходу формувача 11 через перемикач 15 поступають на фільтр нижніх частот 16. Постійна складова послідовності імпульсів пропорційна частоті їх проходження. Якщо частоти генерації fk/ і f k// не рівні, то і постійні складові послідовностей імпульсів також не рівні. Тому на виході фільтра 16 буде присутня змінна складова напруги частоти комутації F, амплітуда якої пропорційна різниці частот fk/ і fk//. Змінна складова напруги посилюється підсилювачем 17 низької частоти і випрямляється синхронним детектором 18, який керується від генератора 20 низької частоти напругою, яка одночасно керує роботою комутатора 6. Випрямлена напруга поступає на реєстратор 19. Оскільки різниця частот авто генератора визначається ємністю, яка вноситься контрольованим матеріалом, то напруга, що реєстр ується, пов'язана пропорційною залежністю з товщиною або перетином непровідного матеріалу. При вимірюванні товщини провідного матеріалу перемикач 15 переводять в положення II. При введенні контрольованого провідного матеріалу відбувається деяка зміна ємності вимірювального перетворювача 1 і вносяться великі втрати в коливальний контур 7. Глибина амплітудної модуляції керуючими входами комутатора 6 і синхронного детектора 18. Позицією 21 позначений контрольований матеріал у вигляді нитки або плівки, яка рухається між пластинами вимірювального перетворювача 1. Пристрій працює таким чином. При відсутності контрольованого матеріалу ємності електродних систем перетворювачів 1 і 2 вибирають однаковими. Якщо комутатор 6 знаходиться в лівому положенні, як показано на кресленні, то проміжний електрод з’єднаний з низькопотенціальним електродом 3 і між електродами 45 виникає високочастотне електричне поле, яке збуджується напругою автогенератора 8 високої частоти. При перемиканні комутатора 6 в праве положення проміжний електрод з'єднується з високопотенціальним електродом 4, і електричне поле виникає між електродами 3-5. При цьому поле між електродами 4-5 зникає через еквіпотенціальність електродів, аналогічно поле електродів 35 зникає при лівому положенні комутатора. Якщо у вимірювальному перетворювачі 1 знаходиться контрольований матеріал 21, то його ємність збільшується пропорційно комплексній діелектричній проникності матеріалу: де e/ - дійсна складова діелектричної проникності; e// - уявна складова діелектричної проникності. Тому резонансна частота контуру 7, в який включається вимірювальний перетворювач 1, задається дійсною складовою діелектричної проникності e/ , а добротність контуру - уявною складовою e//, яка відображає втрати, що вносяться в контур. У зразковому перетворювачі 2 ємність визначається тільки діелектричною проникністю повітря (e0=1). Резонансна частота fk і добротність Qk контуру визначаються виразами: де L - індуктивність контуру; С - ємність первинного перетворювача, включеного в контур і пропорційна e/; R - еквівалентний опір втрат, пропорційний e//. Таким чином, при періодичних перемиканнях комутатора 6, що забезпечується напругою генератора 20 низької частоти, в коливальному контурі 7 автогенератора 8 відбувається періодичне заміщення ємності вимірювального перетворювача 1 з контрольованим матеріалом ємністю зразкового перетворювача 2, заповненого повітрям. В результаті періодично змінюється резонансна частота і добротність контур у 7. Так як діелектрична проникність контрольованого матеріалу eм більша діелектричної проникності повітря e0 (eм >e0), а втрати, що вносяться, знижують добротність контуру, то частота коливань автогенератора 8 при включенні вимірювального перетворювача 1 зменшується і відповідно зменшується амплітуда коливань. В результаті на виході автогенератора 8 формуються пакети високочастотних коливань: 3 38463 високочастотних коливань автогенератора 8 різко зростає, а частотна модуляція мала, збільшується і перепад напруг на ви ході випрямляча 14. Випрямлена напруга згладжується фільтром нижніх частот 16 і на його виході виділяється також змінна складова напруги, пропорційна глибині амплітудної модуляції. Змінна напруга посилюється підсилювачем 17 низької частоти і випрямляється синхронним детектором 18. Випрямлена напруга поступає на реєстратор 19. Оскільки напруга, що поступає на реєстратор 19, пропорційна втратам, що вносяться, які зростають із зростанням товщини або перетину контрольованого матеріалу, то напруга, що реєструється, пропорційна товщині або перетину провідного матеріалу. Таким чином, про товщину або перетин контрольованого матеріалу судять за глибиною частотної або амплітудної модуляції коливань автогенератора в залежності від електропровідних влас тивостей матеріалу. Вимірювання частотної і амплітудної модуляції проводять роздільно за найбільшим інформативним параметром, а неінформативний параметр (амплітуда при частотних вимірюваннях і частота при амплітудних вимірюваннях) подавляється обмеженням амплітуди коливань зверху або знизу і подальшими перетвореннями. Приклад. Проведені вимірювання діаметра волокна (d=0,1-1,0 мм) з базальту і матеріалу, що містить вуглець, на запропонованому пристрої. Похибка вимірювання не перевищила 0,5% при частоті автогенератора 600кГц і частоті комутації 200 Гц. Як комутатор використані два однополюсних ключі типу ADG 719 фірми "ANALOG DEVICES" в мікрокорпусі SOT-23, які мають опір замкненого ключа 3 Ом, відхилення опору від номінального значення 0,75 Ом, а струм витоку не більше за 350 пА. Інші блоки виконані на стандартних мікросхемах загального застосування. Фіг. 4 38463 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 5