Устройство для измерения магнитной проницаемости проводящего образца

 

Изобретение относится к магнитным измерениям и может быть использовано при определении магнитных параметров проводящих образцов методом вихревых токов, например, в информационно-измерительных системах, а также в системах технологических процессов. Целью изобретения является повышение точности измерений за счет исключения влияния воздушного зазора между испытуемым образцом и датчиком на результат измерения. Устройство содержит одновибратор, счетчики, генераторы, цифроаналоговые преобразователи, запоминающее устройство (ППЗУ), делитель, вихретоковый проходной датчик, а также блок вычисления квадрата тангенса угла. Измерение магнитной проницаемости осуществляется путем деления частоты электромагнитного поля на частоту электромагнитного поля в режиме насыщения образца при постоянстве угла между магнитными потоками в образце и вне его. 1 з.п ф-лы, 5 ил. (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

IsI)s G 01 R 33/12 .

ГОСУДАР СТВЕН ЫЙ КОМИТЕТ пО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4629718/21 (22) 02.01.89 (46) 23.03.91. Бюл. %11 (71) Пермский политехнический институт (72) В.А..Панов, Б.С.Игнатьев, С.А.Панов и

А,Н.Сорокина (53).621.317.44 (088.8) (56) Авторское. свидетельство СССР

M 1219992, кл. G 01 R 33/12, 1986. (54} УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ПРОВОДЯЩЕГО ОБРАЗЦА (57) Изобретение относится к магнитным измерениям и может быть использовано при определении магнитных параметров проводящих образцов методом вихревых токов, например, в информационно-измерительИзобретение относится к магнитным измерениям и может быть использовано при определении магнитных параметров проводящих образцов методом вихревых токов, например, в информационно-измерительных системах, а также в системах контроля технологических процессов.

Целью изобретения является повышение точности измерения за счет исключения влияния на результаты измерения воздушного зазора между испытуемым образцом и датчиком.

На фиг,1 изображена структурная схема устройства для измерения магнитной проницаемости проводящего образца; на фиг.2— структурная схема блока. вычисления квадрата тангенса; на фиг.3 — структурная схема делителя; на фиг,4 — структурная схема компаратора; на фиг.5 — график зависимости

„„ЯЦÄÄ 1636819 Al ных системах, а также в системах технологических процессов. Целью изобретения является повышение точности измерений за счет исключения влияния воздушного зазора между испытуемым образцом и датчиком на результат измерения. Устройство содержит одновибратор, счетчики, генераторы, цифроаналоговые преобразователи, запоминающее устройство (ППЗУ), делитель, вихретоковый проходной датчик, а также блок вычисления квадрата тангенса угла, Измерение магнитной проницаемости осуществляется путем деления частоты электромагнитного поля на частоту электромагнитного поля в режиме насыщения образца при постоянстве угла между магнитными потоками в образце и вне его. 1 э.п.ф-лы, 5 ил. угла р сдвига фаз между магнитными потоками в образце и вне era от обобщенного параметра Х.

Устройство для измерения магнитной проницаемости проводящего образца содержит одновибратор 1, счетчик 2, генератор 3 тактовых импульсов (ГТИ), двухходовые элементы И 4 и 5, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 6, коммутатор 7 аналоговых сигналов, управляемый генератор 8 синусоидальных колебаний, усилители 9 и 10 мощности, пороговый блок

11, блок 12 сравнения, регистр 13 сдвига, регистр 14, элементы ИЛИ 15 и 16, блок 17 управления, программируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ) 18, делитель 19, ключ 20, резисторы 21 и 22, конденсатор 23, вихре1оковый проходной датчик

24, состоящий из рабочих возбуждающей и

1636819 изм;-.",рительной обмоток 25 и 26 и обмотки

27 поцмап- ичивания, кнопку "Пуск" 28, перВый вывод которого подключен к общей точке, а второй вывод — к входу одновибратора

1, выход которого соединен с входом уста,ювки начального состояния блока 17 и с

Входо l обнуления счетчика 2.

Неинвертиующий выход ГТИ соединен с первыми входами элементов 4 и 5, выход элемента 4 соединен с суммирующим входом счетчика 2, а выход элемента — 5 с вычитающим ВхОДОм счетчика 2, цифровые

Выходы (Оторого соединены с цифроВыми входами ЦАП 6 и ППЗУ 18, цифровые выходь ППЗУ 18 соединены с цифровыми входами регистра 14 и первыми цифровыми в .Одами делителя 19, вторые входы которого соединены с цифровыми выходами реги, ра 14. выход ЦАП 6 соединен с первым

ВХОGOè коммутатОра 7, первый выход которого соединен с BxÎДОМ I ei- сратора 8, Bblxopl которого соединен с входом усилителя 9, вьixoq которого соединен с первым выводом резистора 21. Второй выход коммутатора 7 соединен ", первым выводом резистора 22, второй вывод которого соецинен с первым выводом конденсатора 23, с первым выводом ключа 20 и входом усилителя 10, выход которого подключен к первому выводу îáмотки 2 7, второй вывод которой, второй вывоц конденсатора 23 и второй вывод ключа

20 под1<п ачены к общей шине. Вход блока

11 сое.,Инен с первым входом блока 12, первый вход элемента 15 соединеч с выходом блока 1, второй Bxop, — c Bbfx0pol GJloKG 12.

Пеовыв в:Оды раба-:и-, B006yzдающей и измерительной обмоток 25 и 26 под.<пючены к

ОбЩей то ll(e, Устро:icrBÎ содержит также возбужда,Ощу,о и измерительную компенсационные

Обмотки 29 и 30, блок 31 вычитания, блок 32 вычисления квадрата тангенса угла (p, цифроаналоговый преобразователь 33, цифровые входы которого подключены к цифровым выходам регистра 13, цифровые входы которого подключены к цифровым выходам олокг 32, а вход стробирования записи регистра 13 сдвига соединен е неинверсным вь!Ходом ГТИ 3, Выход ЦАП 33 соединен с вторым входом блока 12; ип-,версный Bblxoï ГТИ 3 соединен с входом запуска блока 32.

Структурная схема блока 32 вычисления квадрата тангенса угла о(фиг.2) состоит из умножителей 34 — 40 сумматоров 41 и 42, вычитающих блоков (ВБ) 43 — 48, блока 49 целения, аналого-цифрового преобразователя АЦП) 50, ЦАП 51, переменного резистора 5?, первый вывод которого подключен к общей точке, второй (средний) — к первому входу блока 44, а третий — к первому входу умножителя 38 и к выходу сумматора 42.

Структурная схема делителя 19 (фиг,3) состоит из ЦАП 53 и 54 и АЦП 55. На вход преобразователя АЦП 55 поступает напряжение, соответствующее коду, хранящемуся в ППЗУ, а на вход опорного напряжения— напряжение, соответствующее коду, хранящемуся в регистре 14.

АЦП 55 и 50 могут быть выполнены, например, на микросхемах 572ПВ!, а ЦАП 52, 53 и 6 — на микросхеме 572ПАК

Блок 12 (фиг.4) может состоять, например, из вычитающего блока 56, умножителя

57, компаратора 58, дифференциатора 59.

На входы вычитающего блока 56 поступают сравниваемые напряжения с блока 32 и с

ЦАП 33. Компаратор 58 срабатывает по при- ходу стробирующего импульса, определяю20 щего момент сравнения напряжения, поступающего с выхода "Конец преобразования" АЦП 50 блока 32. когда (Озз — Uaz) < Uc, где Uz, — допускаемая ошибка в сравнении напряжений (задается задатчиком, который на чертеже не показан); U33, 0з2 — выходные сигналы соответствующих блоков, В момент переключения компаратора 58 дифференциатор 59 всегда выдает импульс положительной полярности.

Устройство работает следующим образом.

Кнопкой 28 запуска.от одновибратор 1.

Сигнал с выхода одновибратора 1 обнупяет счетчик 2 и устанавливает в начальное состояние, соответствующее выходному коду

1000, блок 17 управления. Сигнал с выхода

"1" блока 17 через элемент 16 поступает на элемент 4, разрешая прохождение импульсов с ГТИ 3 на суммирующий вход счетчика

2. Значение кода в счетчике 2 растет, что приводит к увеличению частоты гармонических колебаний генератора 8, и следовательно, частоты питающего напряжения в рабочей возбуждающей обмотке 25 вихретокового проходного датчика 24.

Импульсы с выхода ГТИ 3 управляют работой блока 32, запуская его каждый раз новым импульсом. Частота ГТИ 3 подобрана так, чтобы длительность переходного процесса в управляемом генераторе 8 и обмотках датчика 24 была меньше половины периода импульсов ГТИ 3, При этом в момент пуска блока 32 на его входах будут установившиеся сигналы, В зависимости от частоты питающего напряжения, а также от величины магнитной проницаемости образца, помещенного в датчик 24, меняется угол р сдвига фаз между магнитными потоками в образце и вне его. При некотором значении

1636819 частоты генератора 8 значение квадрата тангенса угла р сдвига фаз, на некоторое настроен блок 11, и значение текущего квадрата тангенса угла г(р сдвига фаз совпадут. При этом срабатывает блок 11.

Нормированный магнитный поток Ф ( определяют из выражения 4Ъ Еа 2 I1 k R

Ф (= - = —. =д,и (1) . И Ek 1 (k R) где Фь и Ôk — продольные магнитные потоки в образце и в измерительной обмотке 26 датчика 24 без образца соответственно при фиксированном намагничивающем токе;, Š— ЭДС, наведенная в обмотке 26 датчика 24 магнитным потоком Ф,;

E» — ЭДС, наведенная магнитным потоком Ф(; д = и /RU — коэффициент заполнения

2 2 обмотки 26 образцом;

R — радиус образца;

R(— радиусвитка обмотки 26;

k =- у — j в,и, ст — обобщенный параметр контроля; и, — абсолютная магнитная проницаемость образца; ь — частота электромагнитного поля датчика 24; гт — удел ьна я зле»троп роводность образца;

I1, (о — модифицированные функции

Бесселя первого рода первого и нулевого порядков соответственно.

При вычислении квадрата тангенса угла

rp сдвига фаз потока Фд используют датчик

24 с двумя парами обмоток трансформаторного типа с последовательно согласным соединением обмоток 25 и 29 возбуждения и последовательно встречным соединением измерительных обмоток 26 и 30, В одну из пар (рабочую) обмоток 25 и 26 датчика 24 помещают образец, а другую пару используют в качестве компенсационной.

ЭДС измерительных обмоток рабочего

Ер и компенсационного Е» преобразователей без образца равны между собой и ик сумма Л Е = Ер+ Ек равна О.

Внесение изделия в рабочий преобразователь меняет соотношение Ер и (=», появляется отличная от нуля ЭДС Л Е . При этом

Ер будет равна геометрической сумме ЭДС

Е и Е, обусловленных магнитными потоками в иэделии и в зазоре между измерительной катушкой и изделием, соответственно.

С учетом равенства Ео = Е (1 — g) получена формула для расчета квадрата тангенса угла усдвига фаз между Е> и Е», равного углу сдвига фаз между магнйтными потоками в образце и вне его:

tg2 Р

2 Ь (р + (A E) Eð — (6 E) ) - Ek

5 (Ер — (1 — 2 g) Š— (Л Е)2) (2)

Блок 32 вычисляет квадрат тангенса угла р, где, как следует иэ (1), p= arg Ф(, (3)

Кроме того, известна формула для вычисления эффективной магнитной проницаемости Р>ф цилиндрических образцов

15 2I1 kR ,иэф — R к ) (4)

Иэ анализа выражений (1), (3) и (4) следует, что

p = arg,!(ýô (5)

20 На основании зависимости йэф (х) построен график зависимости p=. 1(х), приведенный на фиг.5. Здесь X = ч а),и„п R, p =- tg I Im,йэф/Re,йэф I ..

Из графика следует, что в диапазоне

25 обобщенного параметра О < X < 15 между

p(a значит, и tg (р) и X существует однозначная зависимость (данный диапазон и является рабочим для устройства).

Обозначим <р1 — значение угла, на кото30 рое настроен блок 11; Х1 — значение обобщенного параметра Х, соответствующее

P1.

После срабатывания блока 11 на выходе

II блока 17 появляется сигнал, по которому в регистр 14 записывается значение кода частоты, поступающего с выхода ППЗУ 18. предназначенного для учета нелинейной зависимости между значениями частоты управляемого генератора 8 и значениями

40 входного управляющего напряжения, определяемого кодом, хранящимся в счетчике 2, Одновременно с этим переключается коммутатор 7.

Блок 11 срабатывает при

45 в =в1,,и =,и(, где,и„— измеряемое значение магнитной проницаемости образца; ,и — относительная магнитная проницаемость образца.

При переключении коммутатора 7 частота ыуменьшится и станет равной ю =04, где в, — наименьшее значение частоты управляемого генератора 8, при этом,и =pU .

При переключении коммутатора 7 выходное напряжение ЦАП 6, усиленное усилителем

10. поступает на обмотку 27. По мере возрастания содержимого счетчика 2 значение частоты не меняется, растет ток подмагничивания, следовательно, уменьшается величина магнитной проницаемости образца и

1636819

20 значение обобщенного параметра, (точка на графике движется к точке ill, фиг.5. Значение угла ууменьшается. Предыдущее значение кода квадрата тангенса угла р сдвига фаэ поступает через ЦАП 33 с выхода регистра 13 сдвига (запись в которой стробируется импульсами с выхода ГТИ 3) на один иэ входов блока 12. Текущее значение квадрата тангенса угла р поступает с выхода блока

32 (работа которого также стробируется импульсами с выхода ГТИ 3) и на другой вход блока 12. Момент совпадения значений tgг р стробируется сигналом "Конец преобразования" блока 32. Отсутствие изменения tg p c ростом тока подмагничивания свидетельствует о наступлении режима насыщения исследуемого образца, При насыщении материала образца;и = 1, го = в,, значение обобщенного параметра (а, значит, и угла р и tg p ) минимально (точка ill на фиг,5). Когда наступает режим насыщения материала исследуемого образца, срабатывает блок 12 и появляется сигнал на выходе

ill блока 17, По этому сигналу переключается коммутатор 7, выход ЦАП б подключается к входу генератора 8 (код счетчика 2 при этом свидетельствует частоте аМ<, при которой значение обобщенного параметра максимально, при этом значение угла

ip скачком возрастает(точка 1У на фиг,5), переключается подача импульсов с выхода

ГТИ 3 через элемент 5 на вычитающий вход счетчика 2, Ток подмагничивания в обмотке

27 датчика 24 при этом не изменяется, так как выходное напряжение коммутатора 7 запоминается с помощью конденсатора 23, Счетчик 2 начинает уменьшать свой код. Это вызывает уменьшение частоты колебаний генератора 8, уменьшение значения обобщенного параметра (точка !У движется к точке I на фиг,5). Значение обобщенного параметра уменьшается до тех пop, пока угол р не станет равным заданному значению (точка I на фиг.5). В этом случае при некотором значении частоты (а срабатывает блок 11, на выходах блока 17 управления появляется сигнал 0001, по которому фиксируется значение кода в счетчике 2, и делитель 19 делит код, поступающий с выхода

ППЗУ 18 на код, хранящийся в регистре 14.

На выходе делителя 19 получают код, пропорциональный значению магнитной проницаемости образца. г

Если р или tg p постоянны, то,как следует из выражения (1), kR = const и, значит, имеет место баланс обобщенных параметров для ферромагнитных образцов, имеющих нулевой воздушный зазор с датчиком

24, т.е, можно записать

j R ж1pаО = j R Огайоv, (6) где а — частота электромагитного поля в момент первого по счету равенства кода, соответствующего tg ри кода заданной вег личины, и — частота в момент второго по счету равенства кодов, соответствующего режиму насыщения образца; ,ио — магнитная постоянная.

Когда образец насыщен, его магнитная проницаемость,и = 1, Иэ формулы (6) следует, что,и = мг/В1, (7)

Таким образом, эффект от использования предлагаемого устройства заключается в повышении точности измерения магнитной проницаемости проводящего образца за счет исключения влияния воздушного зазора между испытуемым образцом и датчиком на результат измерения.

Причем, чем больше воздушный зазор, тем большая по сравению с известным устройством точность измерения. Так, при измерении на частотах 1 — 5 кГц магнитной проницаемости образцов с коэффициентом заполнения измерительной обмотки образцом g = (0,5 — 0,7) точность измерения повышается íà 10 — 15%, Кроме того, при электромагнитном контроле магнитной проницаемости образцов при условии g W 1 повышается достоверность контроля, вследствие чего уменьшается вероятность события, заключающегося в том, что не будет замечен бракованный образец, либо бракованный образец будет принят за годный.

Формула изобретения

1, Устройство для измерения магнитной проницаемости проводящего образца, содержащее сдвиговый регистр, вихретоковый проходой датчик с возбуждающей и измерительной обмотками и обмоткой подмагничивания, кнопку, выводы которой подключены соответственно к общей шине и входу одновибратора, выход которого соединен с входами установки блока управления и счетчика, генератор тактовых импульсов, неинвертирующий выход которого соединен с первыми входами первого и второго элементов И, выходы которых соединены соответственно с суммирующим и вычитающим входами счетчика, выходы которого соединены с входами первого цифроаналогового преобразователя и программирумого постоянного запоминающего устройства, выход которого соединен с входом регистра и первым входом делите1636819

1ц

20 5

> ю

gi Q ля, второй вход которого соединен с выходом реГистра, выход перВОГО аналоГÎ-цифрового преобразователя соединен с первым входом коммутатора аналоговых сигналов, первый выход к 3TOpof 0 00един8н: ВходОм управляемогÎ генератора синуса;-дальных колебаний, выход ксторого соединен с входоя п8рвОГО усилителя мощнОс iи, Выход Ко торого соединен с ",ервым выводом первого резистора, второй выход коммутатора аналсгоьых сигналсв соединен с первым Выв, дол- второго резистора, второй вывод которого соединен с первым выводом конденсатОра, первым BblBQQDM ключа и

ВХОДОМ ВТОРО!0 УСИЛИТСЛЯ (40ЩЕОСТИ ВЫХОД котоРОГО Г10Дключен ",. пеРВОМУ ВЫВОДУ 06

МОТКИ По>>MBCHM×ÈBÇ!!ИЯ ВТОРОЙ ВЫВОД КОТОР 0 и С 0 Е Д И Н Е Н C B T 0 3 b,! i! 2 Ы В 0 Д 0 Л! конденсатора. Втор ьпл зы Водом к." юча и 05шей шиной, Вход порогOBofo блока соединен с первым Входом блока сравнения, входы первого элемента ИЛИ соединены с нь;ходами iopO OBOr0 блока и блока сравнения, г Выход первого элемента И>1И соединен с Входом блока упр iB>iения, первый выход ОТоро о соединен с угравля,ощ».л

Вхо, >О л ключа и первь!м Вх :дом BTOp0! 18 мента И> .. Выход которого соединен с ".: 0

p,fbi Вхо>„:".м первс 0 элемента, И, В-оо; и

Вь хoä б ока управле-,èB cîåäë÷Bb, с вт >О и

Вх0!. ;0i<1 BT0p0l зле ;ента И; И, входе>л -.:-:.;—

xp0r .ë3Böèè регистр и управля =щи.; ВХÎДОМ КОММ ТВТОРа апалоГОВЫК Сигна>;ОВ, третий ВыхОд Олока упгрделения соединен с вторым Входом BTOpora элемента И, четвертый выход блока управления соЕдине;-. с та;товым Входом делителя, а первые Выводы измерительной и возауждаю цей Обмоток подключены к общей шине, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения To êîcòè, оно снабжено двумя компенсационными обмотками, блоком вычитания, блоком вычисления квадрата тангенса и вторым цифроаналоговым преобразователем, Вход которого подключен к выходу регистра сдвига, информационный вход которого подключен к цифровому выходу блока Вычисления квадрата тангенса, при этом вход синхронизации регистра сдвига соединен с неинвертирующим выходом генератора тактовых импульсов, выход второго цифроаналогового преобразователя соединен с вторым входом блока сравнения, инвертирующий выход генератора тактовых импульсов соединен с входом запуска блока вычисления квадрата тангенса, аналоговый выход и выход синхронизации которого соединены с объединенными входом порогоaoro блока и первым входом блока сравнения и входом стробирования блока сравнения соответственно, причем второй вывод первого резистора соединен с первым выводом первой компенсационной обмотки, второй вывод которой соединен с вторым выводом возбуждающей обмотки, первый вывод второй компенсационной обмотки соединен с вторым выводом измерительной обмотки, с первым входом блока

Вычитания и первым входом блока вычисления квадрата тангенса, второй вход которого соединен с выходом блока вычитания, второй вход которо о соединен с третьим входом блока вычисления квадрата тангенса и с вторым выводом второй компенсационной обмотки.

2. Устройство по п,1, о т л и ч а ю щеес я тем, что блок вычисления квадрата танГенса выполнен в виде первого, второго, третьег0, четвертого, пятого, шестого, и седьмогÎ,, множителей, первого и второго сумматоре е, первого, второго, третьего, четверто;О. пятого и шестого вычитающих блоков, блока деления, аналого-цифрового преобразователя, цифроаналогового преобразователя. переменного резистора, выводы которого подключень соответственно к общей шине, первому входу вычитающего блока и первому входу пятого умножителя, сбьединенного с выходом второго сумматора, входы которою объединены и соединеi bl с Вторым входом Вычитающего блока, с объединенными входами шестого умножиТ8пВ и с выходом третьего умножителя, перВый и второй входь которого обьединены и соединены с вторым входом блока вычисления квадрата тангенса, первый вход которого соед,«нен с объединенными первым и

Вторым входами первого умножителя, при этом третий вход блока вычисления квадрата тангенса соединен с объединенными первым и вторым входами второго умножителя, выход которого соединен с первыми входами первого сумматора и шестого вычитающего блока, а также с первым выходом первого вычитающего блока, второй вход которого соединен с вторым входом первого сумматора, выходом перво 0 умножителя и первым входом третьего вычитающего блока, выход первого вычитающего блока соединен с обьединенными входами четвертого умножителя, выход которого соединен с первым входом четвертого вычитающего блока, второй вход которого соединен с выходом пятого умножителя, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора, выход четвертого вычитающего блока соединен с первым входом пятого вычитающего блока, второй вход которого соединен с выходом шестого умно1636819

12 жителя, выход пятого вычитающего блока соединен с первым входом блока деления, второй вход которого соединен с выходом седьмого умножителя, входы которого объединены и соединены с выходом шестого 5 блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом третьего вычитающего блока, второй вход которого соединен с выходом второго вычитающего блока, выход делителя соединен с входом аналого-циф- 10 рового преобпазователя, выход которого соединен с входом цифроаналогового преобразователя и цифровым выходом блока вычисления квадрата тангенса, выход синхронизации которого соединен с выходом окончания преобразования аналого-цифрового преобразователя, а выход цифроаналогового преобразователя соединен с аналоговым выходом блока вычисления квадрата тангенса, вход запуска которого соединен с входом запуска аналого-цифрового преобразователя, 1636819

X= rVPoй R

Составитель С.Шумилишская

Техред M.Mîðãåíòàë Корректор С.Черни

Редактор А.Шандор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 815 Тираж 427 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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