Пристрій для вихорострумового контролю

Пристрій для вихорострумового контролю, що містить послідовно з'єднані генератор змінної напруги та першу і другу обмотки параметричного вихорострумового перетворювача, причому точка з'єднання генератора і другої обмотки вихорострумового перетворювача під'єднана до загальної шини, модулятор, що складається з першого та другого 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 підключений до точки з'єднання генератора і першої обмотки вихорострумового перетворювача, другий сигнальний вхід першого комутатора і перший сигнальний вхід другого комутатора підключені до точки з'єднання першої і другої обмоток вихорострумового перетворювача, другий сигнальний вхід другого комутатора підключений до загальної шини, вихід першого комутатора підключений до першого входу диференціального підсилювача, вихід другого комутатора підключений до другого входу диференціального підсилювача, а вихід диференціального підсилювача є виходом модулятора, послідовно з'єднані перший підсилювач, вхід якого підключений до виходу модулятора, та аналоговий елемент пам'яті, послідовно з'єднані другий підсилювач, вхід якого підключений до точки з'єднання першої і другої обмоток вихорострумового перетворювача, квадратурний фазообертач, перший компаратор, другий вхід якого підключений до загальної шини, та лічильний тригер, вихід якого підключений до керуючих входів першого та другого комутаторів моду A (54) ПРИСТРІЙ ДЛЯ ВИХОРОСТРУМОВОГО КОНТРОЛЮ 29646 хімічній, кораблебудівній та інших галузях промисловості. Відомий пристрій для вихорострумового контролю, що складається з генератора змінної напруги, вихорострумового перетворювача, резистора, попереднього підсилювача, вибірного підсилювача, фазообертача, підсилювача обмежувача, синхронного детектора, фільтра нижніх частот та індикатора (кн. Дорофеев А.Л., Казаманов Ю.Г. Электромагнитная дефектоскопия. - М.: Машиностроение, 1980, стр. 109-110, рис. 36). Однак пристрій має невисоку чутливість та дрейф нуля, що обумовлені вибірним підсилювачем, підсилювачем обмежувачем та синхронним детектором. Найбільш близьким до пропонованого рішення є пристрій для вихорострумового контролю, що складається з послідовно з'єднаних генератора змінної напруги та першої та другої обмоток параметричного вихорострумового перетворювача, причому точка з'єднання генератора і другої обмотки вихорострумового перетворювача під'єднана до загальної шини, модулятора, що складається з першого та другого комутаторів, кожен з яких виконаний з двома сигнальними входами, одним керуючим входом та одним виходом, а також першого диференціального підсилювача, причому перший сигнальний вхід першого комутатора підключений до точки з'єднання генератора і першої обмотки вихорострумового перетворювача, другий сигнальний вхід першого комутатора і перший сигнальний вхід другого комутатора підключені до точки з'єднання першої і другої обмоток вихорострумового перетворювача, другий сигнальний вхід другого комутатора підключений до загальної шини, вихід першого комутатора підключений до першого входу першого диференціального підсилювача, вихід другого комутатора підключений до другого входу першого диференціального підсилювача, а вихід першого диференціального підсилювача є виходом модулятора, послідовно з'єднаних першого підсилювача, вхід якого підключений до виходу модулятора, першого аналогового елементу пам'яті, другого диференціального підсилювача, атенюатора, фільтра, що виділяє сигнал прямокутної форми, другого підсилювача, синхронного детектора та індикатора, другого аналогового елементу пам'яті, вхід якого підключений до виходу першого підсилювача, а вихід - до другого входу другого диференціального підсилювача, послідовно з'єднаних третього підсилювача, вхід якого підключений до точки з'єднання першої і другої обмоток вихорострумового перетворювача, фазообертача, компаратора, другий вхід якого підключений до загальної шини, лічильного тригера та першого одновібратора, вихід якого підключений до керуючого входу першого аналогового елементу пам'яті, причому вихід лічильного тригера підключений до керуючих входів першого і другого комутаторів модулятора, фільтра, що виділяє сигнал прямокутної форми, та синхронного детектора, другого одновібратора, вихід якого підключений до керуючого входу другого аналогового елементу пам'яті, а вхід - до виходу компаратора, послідовно з'єднаних третього диференціального підсилювача, перший вхід якого підключений до точки з'єднання обмоток вихорострумового перетворювача, а другий - до точки з'єднання другої обмотки вихорострумового перетворювача і генератора, четвертого підсилювача, третього аналогового елементу пам'яті та четвертого диференціального підсилювача, вихід якого підключений до третього входу другого диференціального підсилювача, четвертого аналогового елементу пам'яті, вхід якого підключений до виходу четвертого підсилювача, а вихід - до другого входу четвертого диференціального підсилювача, причому керуючі входи третього та четвертого аналогових елементів пам'яті підключені відповідно до виходів першого та другого одновібраторів (заявка на патент України № В 4300915 (02) 2146 від 21.03.1994, G01N27/90). Однак пристрій має невисоку швидкодію на низьких та інфранизьких частотах (більш ніж 10 періодів вихідного коливання генератора змінної напруги), що обумовлено великою постійною часу фільтра для виділення сигналу прямокутної форми. В основу винаходу поставлено завдання створити пристрій для вихорострумового контролю підвищеної швидкодії, час вимірювання якого був би не більше двох періодів вихідного коливання генератора змінної напруги з автоматичним одержанням результату вимірювання в цифровій формі для можливості узгодження його з комп'ютером. Поставлене завдання вирішується тим, що в пристрій для вихорострумового контролю, що містить послідовно з'єднані генератор змінної напруги та першу і другу обмотки параметричного вихорострумового перетворювача, причому точка з'єднання генератора і другої обмотки вихорострумового перетворювача під'єднана до загальної шини, модулятор, що складається з першого та другого 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 підключений до точки з'єднання генератора і першої обмотки вихорострумового перетворювача, другий сигнальний вхід першого комутатора і перший сигнальний вхід другого комутатора підключені до точки з'єднання першої і другої обмоток вихорострумового перетворювача, другий сигнальний вхід другого комутатора підключений до загальної шини, вихід першого комутатора підключений до першого входу диференціального підсилювача, вихід другого комутатора підключений до другого входу диференціального підсилювача, а вихід диференціального підсилювача є виходом модулятора, послідовно з'єднані перший підсилювач, вхід якого підключений до виходу модулятора, та аналоговий елемент пам'яті, послідовно з'єднані другий підсилювач, вхід якого підключений до точки з'єднання першої і другої обмоток вихорострумового перетворювача, квадратурний фазообертач, перший компаратор, другий вхід якого підключений до загальної шини, та лічильний тригер, вихід якого підключений до керуючих входів першого та другого комутаторів модулятора, перший одновібратор, вхід якого підключений до виходу першого компаратора, а вихід - до керуючого входу аналогового елементу пам'яті, другий одновібратор та індикатор, додатково введені аналоговий інвертор, третій комутатор, виконаний з двома сигнальними входами, одним керуючим 2 29646 входом і одним виходом, послідовно з'єднані повторювач напруги, інтегратор та другий компаратор, другий вхід якого підключений до загальної шини, RS-тригер, послідовно з'єднані дільник частоти, третій одновібратор, схема виділення періоду та перша логічна схема І, послідовно з'єднані друга логічна схема І та четвертий одновібратор, послідовно з'єднані генератор тактових імпульсів, третя логічна схема І, лічильник імпульсів та регістр, причому вихід аналогового елементу пам'яті підключений до входу аналогового інвертора та першого сигнального входу третього комутатора, другий сигнальний вхід третього комутатора підключений до виходу аналогового інвертора, керуючий вхід третього комутатора підключений до виходу лічильного тригера, а вихід третього комутатора підключений до входу повторювача напруги, вихід другого компаратора підключений до першого входу другої логічної схеми І, а також через другий одновібратор - до R-входу лічильника імпульсів та R-входу RS-тригера, вихід якого підключений до керуючого входу інтегратора, другий вхід схеми виділення періоду та другий вхід першої логічної схеми І підключені до інверсного виходу лічильного тригера, вихід першої логічної схеми І підключений до S-входу RS-тригера, другий вхід другої логічної схеми І підключений до виходу схеми виділення періоду, вихід другої логічної схеми І підключений до другого входу третьої логічної схеми І, вхід дільника частоти підключений до інверсного виходу першого компаратора, вихід четвертого одновібратора підключений до стробуючого входу регістру і є виходом сигналу "КІНЕЦЬ ПЕРЕТВОРЕННЯ", вихід регістру підключений до входу індикатора і є виходом результату вимірювання в цифровій формі. Введення аналогового інвертора, третього комутатора, повторювача, інтегратора, другого компаратора, RS-тригера, схеми виділення періоду, першої та другої логічних схем І дозволило перетворити відносну різницю амплітуд вихідних напруг обмоток вихорострумового перетворювача за час, рівний двом періодам вихідного коливання генератора змінної напруги в інтервал часу і цим підвищити швидкодію. Введення генератора тактових імпульсів, четвертого одновібратора, третьої логічної схеми І, лічильника імпульсів та регістра дозволило перетворити інтервал часу в цифровий код, значення якого висвічується індикатором. Введення дільника частоти та третього одновібратора дозволило забезпечити автоматичний режим вимірювання. На фіг. 1 зображена структурна схема пристрою, а на фіг. 2 - часові діаграми. Пристрій складається з послідовно з'єднаних генератора 1 змінної напруги та першої і другої обмоток параметричного вихорострумового перетворювача 2, причому точка з'єднання генератора 1 і другої обмотки вихорострумового перетворювача 2 під'єднана до загальної шини, модулятора 3, що складається з першого та другого комутаторів, кожен а яких виконаний з двома сигнальними входами, одним керуючим входом і одним виходом, та диференціального підсилювача, причому перший сигнальний вхід першого комутатора підключений до точки з'єднання генератора 1 і першої об мотки вихорострумового перетворювача 2, другий сигнальний вхід першого комутатора і перший сигнальний вхід другого комутатора підключені до точки з'єднання першої і другої обмоток вихорострумового перетворювача 2, другий сигнальний вхід другого комутатора підключений до загальної шини, вихід першого комутатора підключений до першого входу диференціального підсилювача, вихід другого комутатора підключений до другого входу диференціального підсилювача, а вихід диференціального підсилювача є виходом модулятора 3, послідовно з'єднаних першого підсилювача 4, вхід якого підключений до виходу модулятора 3, аналогового елементу 5, третього комутатора 6, виконаного з двома сигнальними входами, одним керуючим входом та одним виходом, повторювача напруги 7, інтегратора 8, другого компаратора 9, другий вхід якого підключений до загальної шини, послідовно з'єднаних другого підсилювача 10, вхід якого підключений до точки з'єднання першої і другої обмоток вихорострумового перетворювача 2, квадратурного фазообертача 11, першого компаратора 12, другий вхід якого підключений до загальної шини, та лічильного тригера 13, вихід якого підключений до керуючих входів першого та другого комутаторів модулятора 3 та третього комутатора 6, послідовно з'єднаних схеми виділення періоду 14, другий вхід якої підключений до інверсного виходу лічильного тригера 13, та першої логічної схеми І 15, другий вхід якої підключений до інверсного виходу лічильного тригера 13, RS-тригера 16, S-вхід якого підключений до виходу першої логічної схеми І 15, а вихід - до керуючого входу інтегратора 8, першого одновібратора 17, вхід якого підключений до виходу першого компаратора 12, а вихід - до керуючого входу аналогового елементу пам'яті 5, аналогового інвертора 18, вхід якого підключений до виходу аналогового елементу пам'яті 5, а вихід - до другого сигнального входу третього комутатора 6, другого одновібратора 19, вхід якого підключений до виходу другого компаратора 9, а вихід - до R-входу лічильника імпульсів 25 та R-входу RS-тригера 16, послідовно з'єднаних дільника частоти 20, вхід якого підключений до інверсного виходу першого компаратора 12, та третього одновібратора 21, вихід якого підключений до першого входу схеми виділення періоду 14, послідовно з'єднаних другої логічної схеми І 22, перший вхід якої підключений до виходу другого компаратора 9, а другий вхід - до виходу схеми виділення періоду 14, та четвертого одновібратора 23, послідовно з'єднаних генератора тактових імпульсів 24, третьої логічної схеми І 25, лічильника імпульсів 25, регістра 27 та індикатора 28, причому другий вхід третьої логічної схеми І 25 підключений до виходу другої логічної схеми І 22, вихід четвертого одновібратора 23 підключений до стробуючого входу регістру 27 і є виходом сигналу "КІНЕЦЬ ПЕРЕТВОРЕННЯ", а вихід регістру 27 є виходом результату вимірювання в цифровій формі. Пристрій працює таким чином. Змінна напруга u2=U2Coswt, що знімається з другої обмотки вихорострумового перетворювача 2 (фіг. 2а), підсилюється підсилювачем 10 та зсувається по фазі на p/2 квадратурним фазообертачем 11 (фіг. 2в) так, щоб після перетворення її першим компаратором 12 в сигнал прямокутної 3 29646 форми (фіг. 2г) фронти його співпадали з моментами, що відповідають максимумам вихідних сигналів u1 та u2 відповідно першої та другої обмоток вихорострумового перетворювача 2 (фіг. 2а, б). Вихідний сигнал першого компаратора 12 керує роботою лічильного тригера 13, на виході якого формується послідовність імпульсів (фіг. 2д, д') зі шпаруватістю 2. Ця послідовність керує роботою першого та другого комутаторів модулятора 3 та комутатора 6. Хай в один півперіод керуючого сигналу з виходу лічильного тригера 13 (фіг. 2д) виходи першого і другого комутаторів модулятора 3 і третього комутатора 6 підключаються до своїх перших (верхні на фіг. 1) входів. В цьому випадку спад напруги u1=U1Coswt на першій обмотці вихорострумового перетворювача 2 (фіг. 2а) прикладається між входами диференціального підсилювача модулятора 3. Оскільки півперіод вихідного сигналу лічильного тригера 13 дорівнює періоду Т вихідної напруги генератора 1, то в першому півперіоді керуючого сигналу (фіг. 2д) на виході модулятора 3 з'являється період напруги u1, причому з'являється напруга u1 в момент, що відповідає її амплітудному значенню (фіг. 2і). Вихідний сигнал модулятора 3, підсилений підсилювачем 4, поступав на вхід аналогового елементу пам'яті 5. В цей же момент на вхід першого одновібратора 17 з виходу першого компаратора 12 поступає додатній фронт імпульсу (фіг. 2г). При цьому на виході першого одновібратора 17 формується короткий імпульс (фіг. 2ж), на протязі дії якого елемент пам'яті 5 запам'ятовує амплітудне значення підсиленої напруги u1. По закінченні вихідного імпульсу першого одновібратора 17 в стаціонарному режимі напруга, що запам'яталася елементом пам'яті 5, буде рівна T T öæ t é æ - i öù ÷ ÷ç ç UЕП = КП êU2 × е tзб. + ç U1 - U2 × е tзб. ÷ç1 - e tзап. ÷ú (1) ê ÷ú ÷ç ç ê øú øè è û ë де Кп - коефіцієнт підсилення першого підсилювача 4; tзап.=Rзaп.×С - постійна часу елементу пам'яті 5 в режимі запам'ятовування; С - ємність конденсатора елементу пам'яті 5; Rзaп. - активний опір елементу пам'яті 5 в режимі запам'ятовування; tзб.=Rвт.×С - постійна часу елементу пам'яті 5 в режимі зберігання інформації; Rвт. - опір втрат елементу пам'яті 5 в режимі зберігання інформації, що зумовлює розряд конденсатора. Звівши подібні і враховуючи зміну напруги (1) в часі за рахунок розряду конденсатора (фіг. 2к) одержимо T ö t t é æ - i ù - i ÷ ç UЕП( t ) = К П êU1 + ç U1 - U2 × е tзб. ÷e tзап. ú e tзб. (2) ú ê ÷ ç ú ê ø è û ë В інший півперіод керуючого сигналу з виходу лічильного тригера 13 (фіг. 2д') виходи першого і другого комутаторів модулятора 3 і третього комутатора 6 підключаються до своїх других (нижніх на фіг. 1) входів. В цьому випадку спад напруги u2= =U2Coswt на другій (нижній на фіг. 1) обмотці вихорострумового перетворювача 2 (фіг. 2б) прикладається між входами диференціального підсилювача модулятора 3. Тоді на виході модулятора з'являється період напруги u'2 (фіг. 2і), причому з'являється ця напруга в момент, що відповідає його амплітудному значенню. Після підсилення підсилювачем 4, напруга u'2 поступає на вхід аналогового елементу пам'яті 5. В цей же момент на вхід першого одновібратора 17 з виходу першого компаратора 12 поступає додатній фронт імпульсу (фіг. 2г). При цьому на виході першого одновібратора 17 формується короткий імпульс (фіг. 2ж), на протязі дії якого елемент пам'яті 5 запам'ятовує амплітудне значення підсиленої напруги u'2 . По закінченні вихідного імпульсу першого одновібратора 17 напруга, що запам'яталася елементом пам'яті 5, буде рівна T T t é öæ æ - i öù ' êU × е tзб. - ç U × е tзб. - U ÷ç1 - e tзап. ÷ú (3) UЕП = КП 1 2 ÷ç ÷ú ç 1 ê ÷ ÷ç ç ê øú øè è ë û Звівши подібні і враховуючи зміну напруги (3) в часі за рахунок розряду конденсатора (фіг. 2к) одержуємо T é ö - ti ù - t æ ÷ ç U'ЕП( t ) = К П êU2 + ç U1 × е tзб. - U2 ÷e tзап. ú e tзб. (4) ú ê ÷ ç ú ê ø è û ë Так почергово змінюючи одна одну через півперіоду, напруги, що описуються виразами (2) і (4), формують напругу на виході елементу пам'яті 5 (фіг. 2к). Напруга на виході аналогового інвертора 18 є протифазною до напруги на елементі пам'яті 5 (фіг. 2к'). Процес вимірювання залежить від RS-тригера 16, що спочатку знаходиться в нульовому cтані (фіг. 2л). Вихідна напруга RS-тригера 16 по керуючому входу блокує роботу інтегратора 8. З приходом переднього фронту вихідного імпульсу дільника частоти 20 (фіг. 2й) одновібратор 21 формує одиночний імпульс (фіг. 2з), по якому схема виділення періоду 14 формує додатній імпульс тривалістю 2Т (фіг. 2е), де Т - період вихідного коливання генератора 1. По цьому імпульсу перша логічна схема І 15 виділяє один вихідний імпульс лічильного тригера 13 тривалістю Т, що поступає на вхід S RS-тригера 16 і встановлює на його виході високий рівень напруги (фіг. 2л). Ця напруга поступає на керуючий вхід інтегратора 8 і дозволяє його роботу. Розпочинається перший півперіод інтегрування протягом часу Т. В цей півперіод вхід інтегратора 8 через третій комутатор 6 та повторювач 7 підключений до виходу аналогового інвертора 18, на якому діє інверсна напруга до тої, що описується виразом (4) (фіг. 2к'). Враховуючи те, що інтегратор 8, якщо його виконати на операційному підсилювачі, інвертує напругу, вихідна напруга інтегратора 8 буде додатньою (фіг. 2м), і на протязі часу Т, що визначає тривалість першого півперіоду інтегрування, буде описуватися виразом 4 29646 u 'вих 8( t ) = = пульсів тактового генератора 24 через третю логічну схему І 25 на лічильник імпульсів 26 (фіг. 2п). По закінченні імпульсу тривалістю t2 четвертий одновібратор 23 сформує короткий імпульс, яким числовий код з лічильника 26 перепишеться в регістр 27 і висвітиться на індикаторі 28. Одночасно вихід регістра 27 є виходом результату перетворення в цифровій формі, а вихідний імпульс четвертого одновібратора 23 є стробом готовності цього результату. Цифровий еквівалент часу t2, протягом якого підраховуються імпульси лічильником 26, можна виразити через кількість імпульсів Nx N t2 = x , f де f - частота імпульсів тактового генератора 24. Визначимо якій же величині пропорційний виміряний інтервал часу t2=Т-t1. (8) Щоб вияснити це, знайдемо чому рівний проміжок часу t1. Це можна зробити, прирівнявши вихідну напругу (7) інтегратора 8 до нуля, оскільки в момент t1 напруга на виході інтегратора 8 стане рівною нулю, тобто T ìé ö ö - t i ùæ - T æ K п t зб. ï ê ÷ ç t ÷ t ç t í êU2 + ç U1e зб. - U2 ÷e зап. úç e зб. - 1÷ úç tі ï ÷ ÷ ç úè ø ø è û ë îê 1 T ' ò uЕП(( t ) dt = R iC i 0 T é ö - ti ù - t æ Kп Т ê ÷ t ç t t ò êU2 + ç U1 × е зб. - U2 ÷e зап. ú e зб. dt , ú tі 0 ÷ ç ú ê ø è û ë де ti=RiCi - стала інтегрування; Ri, Ci - відповідно опір та ємність інтегратора. Винесемо сталий член за знак інтегралу T é ö - t1 ù T - t æ K ÷ ç ' uвих 8( t ) = п êU2 + ç U1e tзб. - U2 ÷e tзап. ú ò e tзб. dt . ú0 tі ê ÷ ç ú ê ø è û ë Враховуючи, що 1 ax ax ò e dx = a e одержимо вираз для напруги на інтеграторі 8 в кінці першого півперіоду інтегрування, тобто за час Т T é ö - ti ù æ K t ' uвих 8( t ) = п зб. êU2 + ç U1e tзб. - U2 ÷e tзап. ú ´ ÷ ç ú tі ê ÷ ç ê ú ø è ë û ö æ - t ´ ç e tзб. - 1÷ (5) ÷ ç ÷ ç ø è Після цього вхід інтегратора 8 за допомогою третього комутатора 6 підключається до виходу аналогового елементу 5, на виході якого діє додатня напруга (фіг. 2к), що описується виразом (2). Починається другий півперіод інтегрування. Напруга на виході інтегратора 5 починає зменшуватися. Цей процес зменшення напруги на виході інтегратора 8 можна описати виразом 1 t Uвих 8( t ) = Uвих 8( T ) UЕП( t ) dt . (6) R iC i ò 0 Підставивши в (6) вирази (5) і (2) та провівши спрощення одержимо T ìé ö - ti ù æ K t ï ÷ ç Uвих 8( t ) = п зб. íêU2 + ç U1e tзб. - U2 ÷e tзап. ú ´ ú tі ïê ÷ ç ú ø è û ë îê ö æ - T ´ ç e tзб. - 1÷ ÷ ç ÷ ç ø è T é æ êU - ç U - U e tзб. 2 ê 1 ç 1 ç ê è ë öü ö - t i ù æ - t1 ÷ï ÷ tзап. úç tзб. e e - 1÷ý = 0 ÷ úç ç ÷ï ÷ úè øþ ø û Взявши до уваги, що при х