Устройство для учета движущихся объектов

 

Изобретение относится к средствам неразрушающего контроля, основанным на использовании свойств физических полей. Устройство обеспечивает учет объектов,-движущихся как в диэлектрических, так и в токопроводящих средах. Устройство содержит генератор переменного напряжения, форг-шрователь импульсов, программновременной блок, управляющий ключами, которые подключают последовательно один из датчиков. Обработка сигналов с датчиков осуществляется в тракте из последовательно соединенных усилителя , фазового детектора, блока аналоговой памяти, сумматора,фильтра; низших.частот, компаратора, дифференцирующего элемента и регистратора. Переключение режимов для { азличных сред осуществляется переключателем. При этом на ограничитель напряжения, формирующий опорный сигнал для фазового детектора, в зависимости от режима поступает переменное напряжение с необходимой фазой. 1 ил. С S (Л

СООЭ СОВЕТСНИХ

И

РЕСПУБЛИК а в (11) (gg 4 С 06 М 11/02

ГОСУДАРСТВЕННЬЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ(СВИД=ТЕЛЬСТВУ (21) 3888287/24-24 (22) 22.04.85 (46) 23.12.86. Бюл. И - 47 (71) Белорусский ордена Трудового

Красного Знамени государственный университет им. В.И.Ленина (72) А.И.Бондарчук, Е.Я.Лукашик и А.В.Гопка (53) 621.374.32(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 845166, кл. G 06 M 11/02, 198 1.

Авторское свидетельство СССР

В 1012292, кл. С 06 М 11/02, 1981. (54), УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЧЕТА ДВИЖУЩИХСЯ

ОБЪЕКТОВ (57) Изобретение относится к средствам неразрушающего контроля, основанным на использовании свойств физических полей. Устройство обеспечивает учет объектов, движущихся как в диэлектрических, так и в токопроводящих средах. Устройство содержит генератор переменного напряжения, формирователь импульсов, программновременной блок, управляющий ключами, .которые подключают последовательно один из датчиков. Обработка сигналов с датчиков осуществляется в тракте из последовательно соединенных усилителя, фазового детектора, блока аналоговой памяти, сумматора, фильтра низших. частот, компаратора, дифференцирующего элемента и регистратора.

Переключение режимов для различных сред осуществляется переключателем.

При этом на ограничитель напряжения, формирующий опорный сигнал для фазового детектора, в зависимости от режима поступает переменное напряжение с необходимой фазой. 1 ил.

f 278908

На чертеже представлена структурная схема устройства для учета движущихся объектов устройства.

Устройство содержит генератор 1 переменного напряжения, переключатель 2, формирователь 3 импульсов, программно-временной блок 4, первый

5 и второй 6 ключи, первый 7 и второй 8 датчики, третий 9 и четвертый

10 ключи, ограничитель l 1 напряжения, усилитель 12, фазовый детектор 13, блок 14 аналоговой памяти, сумматор

15, фильтр 16 нижних частот, компаратор 17, дифференцирующий элемент

18, регистратор 19.

Блок 4 формирует Управляющие сиг

Электроды первого 7 и второго 8 налы для переключения ключей 5 и 9

Э датчиков, выполненные в виде прово g5 6 и 10, для обнуления интегратора дящих стержней, могут быть одинако фазового детектора 13 для записи

9 вой длины и сгруппированы по парам сигнала в блок 14, для переключения

Если в вершинах плоского прямоуголь- ключевых элементов в сумматоре 15. ника восстановить перпендикуляры к Блок 4 обеспечивает синхронную во плоскости, то перпендикулярам соот- 40 времени работу отдельных узлов устветствует расположение двух пар про- ройства, в котором реализуется принтяженных электродов в пространстве цип временного разделения между причем меньшей стороне прямоугольника соответствует расстояние между парами электродов, которре выбирает-. " ся из условия менее 20-й части длины объекта. Большая сторона прямоугольника определяет расстояние меж.ду электродами в каждой из пар. Это расстояние выбирается таким, чтобы между электродами прошел объект и выполнялось условие образования квазистатического плоскопараллельного поля между электродами в каждой паре при подаче на них переменного gg ется по теореме Котельникова. Иакнапряжения, расстояние между электродами в каждой паре должно быть значительно меньше длины волны зондирующего сигнала, Ключи 5, 9 и 6, 10 предназначены для попеременного подключения электродных датчиков к измерительной схеме, что позволяет развязать-по электрическому полю токов измерительные каналы на парах электродов датчиков 7 и 8. Частота коммутации датчиков 7 и 8 (коэффициент деления частоты генератора f в блоке 4) опредеИзобретение относится к средствам неразрушающего контроля, основанных на использовании свойств физических полей, в частности к электронносчетно-регистрирующим устройствам, устройствам отбраковкИ по физическим признакам и направлению движения, и может быть использовано в проводящих, полупроводящих, диэлектрических средах для контроля движущихся объектов 1О живой и неживой природы, Целью изобретения является расширение области применения устройства путем учета объектов движущихся как в токопроводящих, так и в диэлектрических средах.

Генератор 1 служит для создания сигналов синусоидальной и косинусоидальной форм, т.е. двух сигналов, находящихся в квадратуре по отношению друг к другу. Нижняя частота гармонического сигнала генератора должна быть в несколько десятков раз выше максимально возможной радиальной скорости прохождения объектом проме- жутка между электродами, а верхняя частота определяется условиями затухания сигнала в данной среде.

Переключатель 2 предназначен для переключения режима измерения, т.е. изменения фазы опорного сигнала, подаваемого на фазовый детектор 13.

Если опорным напряжением фазового детектора 13 является сигнал с первого выхода генератора 1, то измеряется междуэлектродная емкость датчиков, т.е, контроль осуществляется в диэлектрических средах, в противном случае измеряется активная проводимость датчиков и контроль осуществляется .в проводящих и полупроводящих средах.В качестве переключателя 2 может использоваться любой тумблер на два положения ° формирователь 3 служит для формирования прямоугольных импульсов из гармонического сигнала, поступающего . с второго выхода генератора 1.

1278908 мальной скоростью движения объекта.

В качестве датчиковых коммутаторов наиболее предпочтительным является использование аналоговых ключей в интегральном исполнении. 5 .Пары электродов датчиков 7 и 8 служат для создания в зоне контроля двух квазистатических плоскопараллельных полей на пути прохождения объектов. Каждой паре электродов, лежащих в одной плоскости, можно восстановить перпендикулярно к плоскости ось симметрии. В пространстве оси симметрии обеих пар электродов совпадают и ориентированы по направлению движения 15 объектов, а сами. электроды должны быть строго параллельны друг другу также между парами. Такое расположение электродных пар можно определить как установление пар электродов в 20 пространстве параллельно и соосно °

В качестве электродов могут быть использованы провода, трубы, протяженные пластины с произвольным изгибом по всей длине. 25

Ограничитель 11 служит для формирования опорного сигнала для фазового детектора в виде прямоугольных импульсов, который подается на управляющий вход детектора 13, при этом 30 через переключатель 2 подводится либо напряжение с первого выхода генератора 1 при измерении реактивных составляющих параметра датчиков в диэлектрических средах, либо непосредственно с второго выхода генератора при измерении активных составляющих в проводящих, полупроводящих средах.

Усилитель 12 совместно с датчи- у0 ками 7, 8 и ключами 5 и 9, б и 10 образуют измерительный преобразователь величин G и С в напряжении, где G — активная проводимость датчика, С вЂ” емкость датчика. В цепь отрицательной обратной связи усилителя 12 включен образцовый резистор.

В качестве усилителя 12 можно использовать любой прецизионный операционный усилитель ° 50

Фазовый детектор 13 предназначен для преобразования величины сдвига фазы и амплитуды информационного сигнала по отношению к опорному сигналу в постоянное напряжение, Реализация временного принципа разделения двух измерительных каналов устройства привела к необходимости использования интегратора в фазовом . детекторе с высокой скоростью нарастания сигнала и обнулением в конце цикла интегрирования. В качестве фазового детектора 13 могут применяться фазовые детекторы с амплитудными ограничителями или на переключателях с обнуляющимся интегратором, выполненные на прецизионных операционных усилителях по известным схемам.

Блок 14 представляет собой схему выборки и хранения, предназначенную для периодической выборКи и хранения величины выходного напряжения фазового детектора 13, соответствующего измеряемому параметру одного из датчиков 7 или 8. Сигнал записи информации в ехеме выборки и хранения, поступающий из одного измерительного канала, формируется блоком 4. В качестве блока 14 можно использовать устройство выборки и хранения в интегральном исполнении.

Сумматор 15 служит для одновремен ного сравнения двух информационных сигналов, соответствующих мгновенным значениям измеряемых параметров датчиков 7 и 8, Выходной сигнал сумматора 15 представляет собой разностную дискретную функцию изменения параметров датчиков 7 и 8 друг относительно друга, В качестве сумматора

15 можно использовать сумматор, выполненный по схеме дифференциального усилителя на основе операционного усилителя. Ключевые элементы необходимы для одновременной подачи инфор-мационных сигналов двух измерительных каналов на вход дифференциального усилителя.

Фильтр 1б нижних частот предназначен для выделения и формирования низкочастотного информационного сигнала. Постоянная времени фильтра выбирается такой, чтобы усреднить величину импульсного сигнала, поступающего с выхода сумматора 15, т.е. чтобы преобразовать дискретный сигнал в непрерывный..Фильтр 16 может быть, например, фильтром Чебышева шестого порядка с неравномерностью в полосе пропускания 3 дБ и выполненный на основе операционного усилителя.

Дифференцирующий элемент 17 формирует сигнал, представляющий собой производную от функции изменения параметра датчиков 7 и 8. Постоянная времени дифференцирующего элемента должна быть порядка времени прохож1278908 дения объекта между парами электродов датчиков 7 и 8. В качестве элемента

17 может использоваться дифференциатор на основе операционного усилителя, Компаратор 18 предназначен для формирования сигнала постоянной амплитуды, знак которого определяется знаком фазы продифференцированного низкочастотного информационного сигнала.

Регистратор 19 предназначен для индикации результата счета импульсов, поступающих с выхода компаратора 18.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 1 вырабатывает два гармонических сигнала с постоянным о

1 фазовым сдвигом (90 ) друг относительно друга. В зависимости от характера измеряемого параметра датчиков

7 и 8 (активная проводимость или реактивная емкость) через переключатель 2 на вход опорного сигнала фазового детектора 13 через ограничитель 11 подводится либо напряжение с нулевым фазовым сдвигом — измерение активных составляющих при контроле проводящих и полупроводящих средах, либо напряжение с фазовым сдвигом В/2 — измерение реактивных составляющих параметра при контроле в диэлектрических средах, С второго выхода генератора 1 гармонический сигнал подается через ключи на датчики

7 и 8, а также на формирователь 3, который формирует сигнал в виде прямоугольных импульсов. Этот сигнал подается на вход блока 4, который после деления исходного сформированного сигнала вырабатывает сигналы, управляющие ключами 5 и 9, 6 и 10, таким образом реализуется принцип временного разделения в предлагаемом устройстве. При этом между электродами в каждом датчике 7 и 8 попеременно во времени образуются параллельные поля "шторы", которые (в силу параллельности и протяженности электродных пар) близко расположены друг к другу. Токи через датчики образуются за счет того, что на выходе усилителя 12 потенциал близок к нулю (виртуальный нуль). В силу близости источников (электродных пар) оба электрических поля практически перекрывают одну и ту же контролируемую об".асть. В результате токи, протекающие в каждой электродной паре, практически равны друг другу (при отсутствии объектов) . Следует заметить, что поЛе токов в различных средах имеет разный характер.

Как известно, плотность тока в любой точке среды складывается иэ плотностей токов проводимости и электрического смещения

1О 7 =ДЕ + ЯДЕИс, где Š— напряженность электрического поля в рассматриваемой точке;

6,E — электропроводность (проводимость и диэлектрическая проницаемость среды, т.е ° в проводящих и полупроводящих средах преобладают токи прово20 димости, а в диэлектрических — токи смещения на низких частотах).

Таким образом, воэможность контроля объектов при использовании контактных электродных датчиков в полупроводящих и проводящих средах основывается на том, что б G, а в диэлектрических средах E c с, где G и Я вЂ” проводимость и диэлектрическая проницаемость материала объекта, G и Я вЂ” проводимость и проницаемость о среды.

Для измерения проводимости и ем35 кости используется измерительный преобразователь (датчики, датчиковые коммутаторы, усилитель с образцовым резистором в цепи ООС), в котором происходит сравнение тока через

40 включенный в данный момент времени датчик 7 или 8 с током через образцовый резистор, включенный в цепь отрицательной обратной связи усилителя 12. Выходное напряжение усилите45 ля 12 имеет фазу и амплитуду, зависящую от соотношения величин проводимости образцового резистора и емкости или проводимости датчика 7 или

8. Изменение фазы и амплитуды curgg нала на выходе усилителя 12 по отношению к фазе и амплитуде сигнала с второго выхода генератора 1 преобразуется фазовым детектором 13 в пропорциональный этому изменению сигнал. Для увеличения точности измерений в фазовом детекторе необходимо применять интегратор с обнулением в конце каждого цикла измерения, для сравнения двух значений измеряе7 мых параметров датчиков 7 и 8, полученных в разные моменты времени, используется элемент аналоговой па,мяти — блок 14, который периодически запоминает мгновенное значение параметра одног6 из двух датчиков, например датчика 7. На сумматор 15 через ключевые элементы (не показаны) подается одновременно текущее значение выходного напряжения фазового детектора 13 и предшествующее значение этого напряжения с выхода . блока 14. На соответствующих входах

1278908

Если направление движения объекта зафиксировано, например, по направлению стрелки, показанной на чертеже, а объект принимает другую природу по электропроводности,. например объект-диэлектрик, то на выходе формируется положительный импульс счета.

Понятие проводящих, полупроводящих и диэлектрических объектов формиру- . ется относительно параметров среды, в которой осуществляется численный контроль объектов. сумматора 15 образуются дискретные функции изменения параметра датчиков 7 и 8, обусловленные влиянием объекта. На выходах сумматора 15 образуется дискретная разностная функция изменения параметров датчиков друг относительно друга, С помощью фильтра 16 нижних частот вы20

55 деляется низкочастотный информационный сигнал изменения параметра одного датчика 7 по отношению к изме нению второго датчика 8, который представляет собой непрерывную временную функцию.

При последовательном прохождении, например, электропроводящим объектом плоскопараллельных полей между электродами в каждом датчике (нап— равление движения объекта показано стрелкой), амплитуды фазы напряжений на выходе усилителя 12 для соответствующих электродных пар будут изменяться. В соответствии с изменением сигналов на электродах на выходах соответствующих измерительных каналов формируются сигналы об объектах. Оба сигнала после суммирования в сумматоре 15 и усреднения фильтром 16 нижних частот образуют разностный сигнал, который после цирующий элемент 18. Импульс счета формируется дифференцирующим элементом 18. Полярность импульса счета согласована с порядком прохождения объектом пар электродов, например в соответствии с направлением движения объекта (показано стрелкой) на выходе дифференцирующего элемента 18 вырабатывается отрицательный импульс.счета. Аналогично, при прохождении объекта в обратном направлении по отношению к рассматриваемому случаю формируется положительный по знаку импульс счета., компаратора 16 поступает на дифференФормула изобретения

Устройство для учета движущихся объектов, содержащее генератор переменного напряжения, датчики, усилитель, сумматор, фильтр нижних частот и последовательно соединенные компаратор, дифференцирующий элемент и регистратор, о т л и ч а ю щ е е— с я тем, что, с целью расширения области применения устройства путем учета объектов движущихся как в токопроводящих, так и в диэлектрических средах, в него введены переключатель, формирователь импульсов, программно-временной блок, ключи, ограничитель напряжения, фазовый детектор и блок аналоговой памяти, первый выход генератора переменного напряжения соединен с первым входом переключателя и с входами формирователя импульсов, первого и второго ключей, выходы которых через первый и второй датчики подключены соответственно к входам третьего и четвертого ключей, выходы которых через усилитель соединены с первым информационным входом фазового детектора, второй выход генератора переменного напряжения подключен к второму входу, переключателя, выход которого через ограничитель напряжения соединен с вторым информационным входом фазового детектора, выход которого непосредственно и через блок аналоговой памяти подключен к информационным входам суьачатора, выход которого через фильтр нижних частот соединен с входом компаратора, выход формирователя импульсов подключен к входу программно-временного блока, первый выход которого соединен с управляющими входами первого и третьего ключей, а второй — с управляющими

Составитель Г.Усачев

Техред Л.Сердюкова Корректор M.немчик

Редактор Г.Волкова

Заказ 6842/50

Тираж 671, Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

9 1278908 !О входами второго и четвертого ключей, чены соответственно к управляющим третий, четвертый и пятый выходы входам фазового детектора, блока анапрограммно-временного блока подклю- логовой памяти и сумматора.