Вихрострумовий вимірювач питомої електропровідності неферомагнітних матеріалів

1. Вихрострумовий вимірювач питомої електропровідності неферомагнітних матеріалів, що складається з вихрострумового перетворювача, генератора, фазообертача, попереднього підсилювача, фазочутливої схеми, схеми лінеаризації, масштабувальної схеми, аналого-цифрового перетворювача і цифрового індикатора, вихрострумовий перетворювач підключено до виходу генератора, вихід вихрострумового перетворювача через попередній підсилювач підключено до вимірювального входу фазочутливої схеми, вихід генератора через фазообертач підключено до опорного входу фазочутливої схеми, який відрізняється тим, що вхід масштабувальної схеми підключено до виходу фазочутливої схеми, а вихід масштабувальної схеми підключено до вимірювального вхо C2 2 UA 1 3 діодних обмежувачів, двох вибірних підсилювачів, фазового детектора, підсилювача постійного струму і блока індикації [1, 2]. Недоліком відомого вимірювача питомої електропровідності є відсутність цифрової індикації. При використанні стрілкового індикатора необхідно градуювати його шкалу в зв'язку з нелінійністю залежності фази сигналу вихрострумового перетворювача від питомої електропровідності контрольованого матеріалу. Через відсутність схеми лінеаризації цієї залежності виникає також необхідність додаткового розділення діапазону вимірювання на піддіапазони. Відомий вихрострумовий вимірювач питомої електропровідності, який побудовано на використанні фазового методу [3]. Вимірювач складається із вихрострумового перетворювача, генератора синусоїдальних коливань, попереднього підсилювача, регульованого фазообертача, фазочутливої схеми, схеми лінеаризації, масштабувального підсилювача і цифрового вольтметра. Блок лінеаризації може бути виконаний в двох варіантах. У першому варіанті для лінеаризації використано резисторно-діодну схему, за допомогою якої реалізовано кусково-лінійну апроксимацію нелінійної функції залежності фази сигналу від питомої електропровідності контрольованого матеріалу. Недоліком відомого вимірювача питомої електропровідності є низька точність вимірювання через використання кусково-лінійної апроксимації при лінеаризації залежності фази сигналу вихрострумового перетворювача від питомої електропровідності. В цьому випадку точність вимірювання буде залежати від кількості ділянок апроксимації. Крім того, відомий пристрій має також низьку температурну стабільність через використання діодів у пристрої лінеаризації. Найбільш близьким до запропонованого вимірювача питомої електропровідності є другий варіант реалізації патенту [3], який складається із вихрострумового перетворювача, генератора синусоїдальних коливань, попереднього підсилювача, регульованого фазообертача, фазочутливої схеми, схеми лінеаризації, масштабувального підсилювача і цифрового вольтметра як індикатора. Але в другому варіанті схема лінеаризації виконана у вигляді послідовно з'єднаних аналогоцифрового перетворювача, постійного запам'ятовуючого пристрою і цифро-аналогового перетворювача [3]. В цьому варіанті для лінеаризації використано залежність питомої електропровідності від фазового кута сигналу, яка зберігається в постійному запам'ятовуючому пристрої. Це дозволяє на цифровому вольтметрі реєструвати реальні значення питомої електропровідності у вибраній системі одиниць. Недоліком відомого вимірювача питомої електропровідності є низька точність і недостатня швидкодія контролю, так як представлена реалізація передбачає зайві перетворення інформаційного сигналу. Схема має фактично два аналоговоцифрових перетворювачі: один на вході схеми лінеаризації; другий - у складі цифрового вольтметра. Тобто, після перетворення в цифроаналоговому перетворювачі на виході схеми ліне 97304 4 аризації сигнал знову треба перетворити в цифрову форму за допомогою другого аналоговоцифрового перетворювача, який є в складі цифрового вольтметра. Задачею запропонованого способу є підвищення точності і швидкодії вимірювання питомої електропровідності неферомагнітних матеріалів. Вихрострумовий вимірювач питомої електропровідності неферомагнітних матеріалів складається з вихрострумового перетворювача, генератора, фазообертача, попереднього підсилювача, фазочутливої схеми, схеми лінеаризації, масштабувальної схеми, аналого-цифрового перетворювача і цифрового індикатора. При цьому, вихрострумовий перетворювач підключений до виходу генератора, вихід вихрострумового перетворювача через попередній підсилювач підключено до вимірювального входу фазочутливої схеми, а вихід генератора через фазообертач підключено до опорного входу фазочутливої схеми. Вхід масштабувальної схеми підключено до виходу фазочутливої схеми, а вихід масштабувальної схеми підключено до вимірювального входу аналого-цифрового перетворювача, який виконано за інтегрувальною двотактною схемою з другим опорним входом. Схема лінеаризації складається з двох регульованих подільників напруги, операційного підсилювача і джерела постійної напруги. При цьому, вхід першого регульованого подільника напруги підключено на вихід масштабувальної схеми, а його вихід підключено на інверсний вхід операційного підсилювача, на прямий вхід якого підключено вихід другого регульованого подільника напруги, вхід якого підключено до джерела постійної напруги. Вихід операційного підсилювача схеми лінеаризації підключено на опорний вхід аналого-цифрового перетворювача, вихід якого підключено до цифрового індикатора. Масштабувальна схема може складатися з операційного підсилювача і трьох регуляторів напруги. Прямий вхід операційного підсилювача підключено до виходу фазочутливої схеми, а інверсний вхід до виходу першого регульованого подільника напруги, вхід якого підключено до джерела постійної напруги. Вихід операційного підсилювача підключено до входу першого регульованого подільника напруги схеми лінеаризації і через другий регулятор напруги масштабувальної схеми підключено до вимірювального входу аналогоцифрового перетворювача, на який підключено також вихід третього регульованого подільника напруги, вхід якого підключено до джерела постійної напруги. У вихрострумовому вимірювачі питомої електропровідності неферомагнітних матеріалів як регульовані подільники напруги можуть бути використані потенціометри. На фіг.1 представлено функціональну схему вихрострумового вимірювача питомої електропровідності неферомагнітних матеріалів. На фіг.2 представлено варіант виконання масштабувальної схеми вихрострумового вимірювача питомої електропровідності неферомагнітних матеріалів. 5 На фіг.3 представлено нелінійну залежність вихідного сигналу фазочутливої схеми від питомої електропровідності алюмінієвих сплавів. На фіг.4 представлено характер залежностей вимірювального Ux (крива 1) і опорного Uon (крива 2) сигналів на входах аналого-цифрового перетворювача від питомої електропровідності. На фіг.5 представлено процес лінеаризації за допомогою інтегрувального аналого-цифрового перетворювача. Вихрострумовий вимірювач питомої електропровідності складається з вихрострумового перетворювача 1, обмотку збудження якого підключено до генератора 2. Вихід вихрострумового перетворювача 1 через попередній підсилювач 3 підключено на вхід фазочутливої схеми 5. Вихід генератора 2 через фазообертач 4 підключено до опорного входу фазочутливої схеми 5. Вихід фазочутливої схеми 5 через масштабувальну схему 6 підключено до вимірювального входу аналогоцифрового перетворювача 11, вихід якого підключено до цифрового індикатора 12. Аналогоцифровий перетворювач 11 виконано за інтегрувальною двотактною схемою з другим опорним входом. Вихід масштабувальної схеми 6 підключено до схеми лінеаризації 7 (обведено пунктирною лінією), яка складається з двох регульованих подільників напруги 8 і 9, операційного підсилювача 10 і джерела постійної напруги 13. На фіг.1 представлено випадок, коли регульовані подільники напруги 8 і 9 виконані у вигляді потенціометрів, що може застосовуватись для побудови приладів з ручним керуванням операції настроювання в лінійний режим. При цьому, вхід першого регульованого подільника напруги (потенціометра) 8 підключено на вихід масштабувальної схеми 6, а його вихід підключено на інверсний вхід операційного підсилювача 10. На прямий вхід операційного підсилювача 10 підключено вихід другого регульованого подільника напруги (потенціометра) 9, вхід якого підключено до джерела постійної напруги 13. Вихід операційного підсилювача 10 схеми лінеаризації 7 підключено на опорний вхід аналого-цифрового перетворювача 11. Масштабувальна схема 6 (фіг.2) складається з операційного підсилювача 15 і трьох регульованих подільників напруги 14, 16 і 17. На фіг.2 представлено випадок, коли регульовані подільники напруги 14, 16 і 17 виконано у вигляді потенціометрів, що може застосовуватись для побудови приладів з ручним керуванням операції настроювання приладу, які полягають у виставленні на цифровому індикаторі 12 значень питомої електропровідності контрольованого матеріалу, що відповідають початку і кінцю вимірювального діапазону. Прямий вхід операційного підсилювача 15 підключено до виходу фазочутливої схеми 5, а інверсний вхід до виходу першого регульованого подільника напруги 14, вхід якого підключено до джерела постійної напруги 13 (фіг.1). Вихід операційного підсилювача 15 масштабувальної схеми 6 підключено до входу першого регульованого подільника напруги 8 схеми лінеаризації (фіг.1) і через другий регулятор напруги 17 підключено до вимірювального входу аналого-цифрового перетворювача 11, на який 97304 6 підключено також вихід третього регульованого подільника напруги 16, вхід якого підключено до джерела постійної напруги 13. Розглянемо роботу пристрою вихрострумового вимірювача питомої електропровідності на прикладі контролю конструктивних алюмінієвих сплавів, питома електропровідність яких лежить у межах від 14,0 до 37,1 МСм/м. За допомогою синусоїдальної вихідної напруги генератора 2 в первинній обмотці вихрострумового перетворювача 1 створюється струм збудження робочої частоти, який наводить в контрольованому об'єкті (не показано) вихрові струми. Амплітуда і фаза вихрових струмів залежить від питомої електропровідності контрольованого матеріалу і зазору між вихрострумовим перетворювачем і контрольованою поверхнею. Тому амплітуда і фаза сигналу, який наводиться на виході вихрострумового перетворювача 1 в його вторинній обмотці, також буде залежати від питомої електропровідності і зазору. При цьому, вибором робочої точки можна досягнути режиму відстроювання від впливу зазору, при якому фаза сигналу буде залежати переважно від питомої електропровідності. Сигнал вихрострумового перетворювача 1 після підсилення за допомогою попереднього підсилювача 3 надходить на вхід фазочутливої схеми 5, за яку може бути використаний фазовий детектор. На опорний вхід фазочутливої схеми 5 через фазообертач 4 надходить опорний сигнал робочої частоти. На виході фазочутливій схемі 5 формується постійна напруга, яка залежить від різниці фаз вимірювального сигналу з виходу вихрострумового перетворювача 1 і опорного сигналу. Так як фаза вимірювального сигналу залежить від питомої електропровідності, а фаза опорного сигналу в процесі проведення вимірювань є постійною, постійна напруга на виході фазочутливої схеми 5 буде також залежати від питомої електропровідності. Із фіг.3 видно, що така залежність має нелінійний характер. Постійна напруга з виходу фазочутливої схеми 5 надходить на масштабувальну схему 6, сигнал з виходу якої надходить на вимірювальний вхід аналогоцифрового перетворювача 11, з виходу якого цифровий сигнал надходить на цифровий індикатор 12. З іншого виходу масштабувальної схеми сигнал надходить через подільник напруги (потенціометр) 8 на інверсний вхід операційного підсилювача 10 схеми лінеаризації 7. На прямий вхід операційного підсилювача надходить постійна напруга зміщення з другого регульованого подільника напруги 9 схеми лінеаризації 7, яка формується за допомогою джерела постійної напруги 13. Вихідна напруга з операційного підсилювача 10 надходить на опорний вхід аналого-цифрового перетворювача 11. Аналого-цифровий перетворювач 11 виконаний за інтегрувальною двотактною схемою із зовнішнім опорним входом, особливістю якого є перетворення сигналу згідно з співвідношенням [4, 5] 3 Nx=10 Ux/Uon, де: Nx - цифровий код на виході аналогоцифрового перетворювача; Ux - напруга на вимірювальному вході аналого-цифрового перетворювача; Uon - напруга на опорному вході аналого 7 цифрового перетворювача. Таким чином, вихідний код інтегрувального аналого-цифрового перетворювача 11 залежить не тільки від вимірювальної напруги на вході, а і від напруги, що надходить на його опорний вхід. Така залежність вихідного коду аналого-цифрового перетворювача інтегрувального типу використана в запропонованому винаході для компенсації нелінійності залежності вихідного сигналу фазочутливої схеми 5 від питомої електропровідності (фіг.3). Опорна напруга для формування лінійного режиму створюється із вимірювального сигналу шляхом його інверсії після надходження на інверсний вхід операційного підсилювача 10. Крім того, вибором коефіцієнта передачі вимірювальної напруги, що надходить на вхід операційного підсилювача 10, за допомогою регульованого подільника напруги (потенціометра) 8 і постійної напруги зміщення, що надходить на прямий вхід операційного підсилювача 10, формують необхідну для лінеаризації залежність опорної напруги від питомої електропровідності. Характер залежності вимірювального Ux і опорного Uon сигналів від питомої електропровідності, які необхідно сформувати для лінеаризації, показано схематично на фіг.4. В результаті перетворювання аналогового вимірювального сигналу Ux в аналогоцифровому перетворювачі 11 з використанням опорної напруги Uon на його виході формується код Nx для управління цифровим індикатором 12. Процес компенсації нелінійності за допомогою інтегрувального аналого-цифрового перетворювача 11 показано на фіг.5. Крива А відповідає процесу аналого-цифрового перетворення без лінеаризації, коли опорна напруга Uon є фіксованою величиною і не змінюється при змінах питомої електропровідності. Крива В відповідає лінійному режиму залежності вихідного коду від питомої електропровідності. Крива С відповідає режиму перекомпенсації. Лінійний режим настроюється шляхом встановлення вихрострумового перетворювача 1 на стандартні зразки з відомими значенням питомої електропровідності (не показано) і регулювання подільників напруги 8 і 9. Запропонована масштабувальна схема (фіг.2) працює наступним чином. Встановлюють вихрострумовий перетворювач 1 на стандартний зразок (не показано), що відповідає мінімальному значенню питомої електропровідності в діапазоні вимірювання (в нашому прикладі - 14,0 МСм/м) і за 97304 8 допомогою регульованого подільника напруги (потенціометра) 14 змінюють постійну напругу на інверсному вході операційного підсилювача 15 до тих пір, поки на його виході 15 не буде встановлена нульова напруга. Після цього за допомогою регульованого подільника напруги (потенціометра) 16 встановлюють на цифровому індикаторі 12 покази, що відповідають початку діапазону вимірювання (14,0). Встановлюють вихрострумовий перетворювач 1 на стандартний зразок, що відповідає кінцевому значенню питомої електропровідності в діапазоні вимірювання (в нашому прикладі 37,1 МСм/м) і встановлюють на цифровому індикаторі 12 показання, що відповідають кінцю діапазону вимірювання (37,1). Запропонований винахід використано при розробці вихрострумового вимірювача питомої електропровідності алюмінієвих сплавів, який впроваджено для контролю змін структури алюмінієвих сплавів під час довготривалої експлуатації авіаційних конструкцій [6]. Вимірювач електропровідності забезпечує безпосередній відлік значення питомої електропровідності в діапазоні вимірювання без застосування лінійної апроксимації, що дозволяє підвищити точність і продуктивність вимірювань. Джерела інформації: 1. Дорофеев А.Л., Казаманов Ю.Г. Электромагнитная дефектоскопия. - М.: Машиностроение, 1980. - 232 с. (C. 106-107). 2. Дорофеев А.Л. Индукционная структуроскопия. - М.: Энергия, 1973. - 232 с. (С. 49-50). 3. Патент 4074186 США, МКИ G01R33/12. Conductivity measurement instrument havig linearization means and a digital read out /J.J. Flagerty; Magnaflux Corp. - № 614877; Заявл 19.09.75; Опубл. 14.02.78; НКИ 324/222. - 6 с. 4. Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений. - М.: Мир, 1990. 535 с. 5. Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. - М: Энергоатомиздат, 1990. - 320 с. 6. Механіка руйнування і міцність матеріалів: довідн. посібник /Під. заг. ред. В.В. Панасюка. Т. 9: Міцність і довговічність авіаційних матеріалів та елементів конструкцій / О.П. Осташ, В.М. Федірко, В.М. Учанін та ін. - Львів: Сполом, 2007. - 1068 с. 9 97304 10 11 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 97304 Підписне 12 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601