Устройство для контроля параметров многокомпонентных материалов

 

Использование: неразрушающий контроль материалов. Сущность изобретения: устройство содержит источник опорного напряжения , регулируемый по частоте источник переменного напряжения, резистивную измерительную ячейку, переключатели, преобразователи ток-напряжение, амплитудные детектор, фазочувствительный выпрямитель , интегратор, генератор прямоугольных импульсов, делитель напряжения , блок умножения. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 N 27/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4844461/25 (22) 14.05.90 (46) 07.11.92. Бюл. N 41 (71) Киевский технологический институт легкой промышленности (72) Ю,А. Скрипник, К.Н. Маркусик и В.И, Трикоз (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 954895, кл. 6 01 N 27/02, 1982, Авторское свидетельство СССР

N. 1402905, кл. G 01 N 27/04, 1988. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к неразрушающему физическому контролю по частотным изменениям полного сопротивления и может быть использовано для контроля многокомпонентных материалов и сред по форме частотных характеристик реэистивных измерительных ячеек, содержащих исследуемый материал или среду..

Известно устройство контроля параметров многокомпонентных материалов и сред по частотной дисперсии злектропроводности, содержащее первый и второй генераторы перестраиваемых частот, балансный . смеситель, параллельно включенные аттенюатор и фильто НЧ, фильтр ВЧ, у и р а в ля ем ы и и е ре кл юча тел ь, усилитель-ограничитель, измерительную ячейку, соединенную последовательно с низкоомным шунтом, второй балансный смеситель, избирательный усилитель, настраиваемый на частоту второго исходного сигнала, последовательно включенные с ним амплитудный детектор, усилитель час« . Ж, 1774242 Al (57) Использование: неразрушающий контроль материалов. Сущность изобретения:. устройство содержит источник опорного напряжения,.регулируемый по частоте источник переменного напряжения, резистивную измерительную ячейку, переключатели, преобраэовэтели "ток-напряжение", амплитудные детектор, фазочувствительный выпрямитель, интегратор, генератор прямоугольных импульсов, делитель напряжения, блок умножения, 1 ил. таты коммутации, фазочувствительный выпрямитель и измерительный прибор. В устройстве. также содержатся дифференциальный усилитель, первый вход которого подключен к выходу амплитудного детектора, второй выход — к источнику стабилизированного напряжения, а выход — к управляющему входу избирательного усилителя, а также коммутационный генератор, выход которого подключен к управляющим

: входам управляемого переключателя и фазочувствительного выпрямителя (1), Недостатком такого устройства является снижение точности измерения при работе в широком частотном диапазоне, связанное с частотными погрешностями избирательного усилителя и амплитудного детектора, работающих во всем диапазоне перестройки частоты второго исходного сигнала. Кроме того, при перестройке частоты генератора второго исходного сигнала могут появиться дополнительные погрешности вследствие неточной подстройки

1774242

Однако известному устройству присущи 5 следующие недоста1ки:

- измеряются частотные изменения только активной составляющей полного сопротивления, неконтролируемые изменения реактивной составляющей частоты избирательного усилителя, что также снижает точность измерения дисперсии электропроводности и достоверность контроля параметров последуемых материалов и сред.

Известно устройство измерения частотной дисперсии электропроводности широкополосных кондуктометрических ячеек, содержащее генератор опорной частоты и генератор перестраиваемой частоты, которые через аттенюэторы и управляемый переключатель соединены с внутренним электродом коаксиальной проточной ячейки, наружный электрод которой соединен со входом широкополосного преобразователя ток — напряжение, выход преобразователя соединен с сигнальным входом синхронного детектора, управляющий вход которого соединен с выходом переключателя, к выходу синхронного детектора подключены последовательно соединенные усилитель низкой частоты, фазочувствительный выпрямитель и фильтр низкой частоты, выход которого соединен с управляющим входом одного из аттенюаторов, внутренний (входной) электрод ячейки соединен с линейным амплитудным детектором и логарифматором, к выходу которого подключены вторые последовательно соединенные усилитель низкой частоты, фазочувствительный выпрямитель и фильтр низкой частоты, выходом соединенный со входом регистратора. лентопротяжный механизм которого соединен с блоком регулировки частоты генератора перестраиваемой частоты, а управляющий вход переключателя и управляющие входы фазочувствительных выпрямителей подключены к генератору импульсов прямоугольного напряжения (21, Б результате плавной перестройки испытательной частоты и наличия дисперсии электропроводности измерительной ячейки изменяется выходное постоянное напряжение, которое регистрируется и отображает дисперсионную характеристику ячейки.

По экстремальным значениям дисперсионной частотной характеристики судят о концентрации различных компонент в исс-. ледуемой среде, а по времени регистрации (текущей частоте), соответствующему очередному экстремуму характеристики, — о химическом или биологическом составе регистрируемой компоненты. обуславливают большие погрешности в определении частотных изменений полного сопротивления;

- при сравнении активных составляю5 щих токов ячейки на опорной и испытательной частотах неизбе>кны дополнительные частотные погрешности, вносимые преобразователем ток — напряжение и синхронным детектором, имеющими собственные

10 неравномерные частотные характеристики;

"- операция логарифмировачия пОзволяет выделить сигнал, пропорциональный относительному частотному изменению, только при его малых значениях, при боль15 ших относительных изменениях возникает большая методическая погрешность;

- при исследовании высокоомных материалов и сред возникают трудности в выдельнии сигнала, пропорционального

20 разности малых токов разных частот, предварительное усиление на разных частотах неизбежно иска>кает отношение амплитуд разных частотных сигналов.

Целью изобретения является повыше25 ние точности контроля за счет исключения частотной погрешности вносимой схемными элементами.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для контроля параметров мно30 гокомпонентных материалов, содержащее источник постоянного опорного напряжения, регулируемый по частоте источник переменного напряжения, резистивную измерительную ячейку, первый переключа35 тель, первый преобразователь "ток — напря>кение", амплитудный детектор, фильтр. низкой частоты, фазочувствительный выпрямитель, интегратор, регистратор, генератор n ÿìoóãîëüíûõ импульсов, делитель

40 напряжения, причем выход источника переменного напряжения через первый переключатель, а выход источника постоянного опорного напряжения через делитель напряжения и первый переключатель соеди45 нены с резистивной измерительной ячейкой, амплитудный детектор, фильтр низкой частоты, фазочувствительный выпрямитель, интегратор и регистратор соединены последовательно, регистратор одним

50,выходом кинематически соединен с входом регулировки частоты источника переменного напряжения, а выход генератора прямоугольных импульсов соединен с управляющими входами первого переклю5 чателя и фазочувствительного выпрямителя, введены дополнительно элементы, включенные следующим образом:

- второй преобразователь "ток-напряжение", три переключателя, безреактивный резистор. блок умножения;

1774242

- выход источника переменного напряжения через второй переключатель, а выход источника постоянного опорного напряжения через делитель напряжения и второй переключатель соединены с безреактивным 5 резистором; — резистивная измерительная ячейка через четвертый переключатель, а безреактивный резистор через третий переключатель соединены с первым и вторым преобразователями "ток — напряжение";

- выходы первого и второго преобразователей "ток- напряжение" соединены соответственно с первым и вторым входами блока умножения выход которого соединен с амплитудным детектором;

- регистратор вторым выходом кинематически соединен с регулирующим входом делителя напряжения; — все переключатели управляющие входами соединены с генератором прямоугольных импульсов, Схема предлагаемого устройства представлена на чертеже.

Устройство включает источник 1 постоянного опорного напряжения, источник 2 переменного напряжения испытательной частоты, делитель 3 постоянного напряжения, состоящий иэ регулируемого реохорда

4 и постоянных резисторов 5 и 6, первый и второй переключатели и 8, резистивную измерительную ячейку 9, беэреактивный резистор 10, третий и четвертый пере ключатели 11 и 12, преобразователи

"ток-напряжение" 13 и 14, блок умножения

15, амплитудный детектор 16, фильтр 17 низкой частоты, фазочувствительный выпрямитель 18, интегратор 19, регистратор

20 и генератор 21 прямоугольных импульсов, Источник 1 постоянного напряжения через делитель 3 напряжения соединен с одними противоположными входами переключателей 7 и 8, другие противоположные входы которых соединены с источником 2 переменного напряжения. Выходы переключателей 7 и 8 через измерительную ячейку 9 и беэреактивный резистор 10 соединены с входами переключателей 11 и

12, противоположные выходы которых соединены между собой. К противоположным выходам переключателей 11 и 12 через преобраэователи "ток-напряжение" 13 и 14 подключены входы блока умножения 15, к выходу которого подключены последовательно соединенные амплитудный детектор

16, фильтр 17, низкой частоты, фазочувствительный выпрямитель 18, интегратор 19, и регистратор 20, лентопротяжный механизм

55 которого кинематически соединен с блоком регулировки частоты источника 2. Пишущий механизм регистратора 20 кинематически соединен с движкам реохорда 4 делителя 3 напряжения, соединенного с выходом источника 1 постоянного напряжения и нагруженного на постоянные резисторы 5 и 6 .

Управляющие входы переключателей 7, 8, 11, 12 и управляющий вход фазочувствительного выпрямителя 18 подключены к выходу генератора 21 прямоугольных импульсов.

Устройство работает следующим образом.

На реэистивную измерительную ячейку, содержащую контролируемый материал или среду, при помощи переключателя 7 nooseредно воздействуют с низкой частотой коммутации И пакетами опорного и зондирующего напряжений. Пакеты опорного напряжения формируются из постоянного напряжения источника 1. регулируемого делителем 3;

U1 = К1 (1 + yi) Uo.,, (1) где К1 — коэффициент передачи делителя напряжения;

ЛК1 — относительное изменение

К1 регулируемого напряжения.

Пакеты зондирующего напряжения формируются из переменного напряжения источника 2

Uz =Um (1+y2) sin (вt+p), (2) где Um, ви р- амплитуда, частота и фаза колебаний;

5 g (Cd)

} — относительное изменение зондирующего напряжения при регулировке его частоты.

Испытательную частоту в изменяют в заданном частотном диапазоне (o «+ жаке), а частоту коммутации выбирают в 10 + 20 раз меньше минимальной частоты испы(dMHH тательного напряжения (Й (10 + 20 ).

В один полупериод коммутации

7f х1 = — через ячейку протекает постоянный

2 ток, значение которого определяется ее омическим сопротивлением и к («-у ) и, !

R1 R1 где R1 — омическое сопротивление измерительной ячейки, В другой полупериод коммутации

Л

õz = =Г1 протекает переменный ток, зависящий от полного сопротивления ячейки

1774242 (8) l4—

Х sin (N t + p+ Api ), (4) U5 = K3 (" + "г4 ) 13 = х (9) 20 (5) 03 =- K211 = (1 + ) 1)К1К2 1

U4 = Кз(1+ у4)12 =

/ (7) 55

08 = S1 (1 + )Ъ) 04 06 =

Я1 (1 + >) К1 (1 1)К2 (1 + >)K3 (1 + >4) X ,.Х sin(Nt +p+ Лср1 + Лp2), (12)

U> 0m

R (1 +уЗ) Х sin (Nt+p);

5 где Z — модуль полного сопротивления ячейки, R1 AZ N 3 R1 R1

ОТНОСИтельное частотное изменение модуля полного сопротивления;

Лр1 — дополнительный фазовый сдвиг, возникающий из-за наличия реактивной составляющей сопротивления ячейки.

При помощи переключателя 11 комму.тируют токи 11 и 12 на входы преобразователей 13 и 14, на выходах которых получают напряжения вида:

X0m Sin(Nt+p+Лр1 +Ap2), (6)

30 где К2 и Кз — коэффициенты преобразования постоянного и переменного токов в напряжение;.

ЛКЗ N. г 4 — относительная часКз

35 тотная погрешность преобразования тока испытательной частоты в напряжения, Лр2 — дополнительный фазовый сдвиг, вносимый s процессе преобразования тока в напря>кение. 40

Одновременно при помощи переключателя 8 пакетами постоянного и переменного напряжений, но с противоположной последовательностью и противополо>кным регулированием изменения постоян- 45 ного напряжения, воздействуют на безреактивный резистор с сопротивлением

R2, равным омическому сопротивлению ячейки (R2 =. R1=R), В результате этого через безреактивный резистор в полупериод ком- 50 мутации т1 протекает переменный ток

1 — — (1+ 2) Х и2 0 а в полупериод коммутации т2 — постоянный ток

Аналогичным образом, производв коммутацию переключателем 12, токи l3 и 14 преобразуют в пакеты пропорциональных напряжений:

X Um (1 + у ) Sin (N t + p ), 06 = К2 14 = К1 (1 — г1) К2 — (10)

R2

Переключатели работают таким образом, что на вход преобразователя 13, выполненного на операционном усилителе с параллельной обратной связью, воздействуют только постоянные токи, протекающие через измерительную ячейку 9 и безреактивный резистор 10, которые после преобразования в пропорциональные напряжения поочередно воздействуют на один вход блока умножения 15. На второй преобразователь 14 воздействуют соответственно только переменные токи, протекающие через безреактивный резистор 10 и измерительную ячейку 9, и на второй вход блока 15 умножения воздействуют только переменные нэпря>кения, пропорциональные токам.

Далее перемножают пакеты постоянного напряжения 03 с пакетами переменного напряжения 06, а пакеты переменного на- и ряжения 04 перемножают с пакетами постоянного напряжения U6. В результате на выходе блока умно>кения 15 в полупериод т1формируются пакеты переменного напряжения испытательной частоты в

07 =S1(1 + ) 0306 =Я1(1 +У6) Х

ХК1 (1 + У1)К2(1 + 12) X K3 (1 + y4) X

Х 2 Sin(N t+p), L4 0mm (11) где S1 — крутизна (чувствительность) множительного преобразования;

Л$1 С0

) 5

51 относительное частотное изменение крутизны преобразования, В полупериод r2 формируются пакеты переменного напряжения той же частоты в

1774242

При непрерывной работе переключателей 7, 8, 11 и 12, которые управляются прямоугольными импульсами напряжения генератора 21, пакеты переменных напря-, жений 07 и U8 с выхода блока 15 умножения 5 поочередно детектиру1отся амплитудным детектором 16.

Ug = 32(1 + y8)07 =

= S2(1 + y8)S1(1 + } 8)К1(1 + } 1) g

Х К2(1 + уг)кз(1 + y4)

R (13)

0,10 S2 (" +} 6) U8 S2 (1 +yc)S1(1 + 5)у

ХК1 (1 — y1) К2 (1 + } ) Кз(1 + y4)

Uo Um (14)

R2(1+y)! где Sz — крутизна амплитудного детектирования, 011 = K4 2 sign з!п(01+ Ф) (15)

30 где К4 — коэффициент передачи фильтра низкой частоты;

sign sin 0 t — прямоугольная огибающая пакетного напря>кения;

Ф вЂ” фаза огибающей, зависящая от зна- 35 ка относительного частотного изменения полного сопротивления ячейки.

Напряжение U11 частоты коммутации выпрямляютфазочувствительным выпрямителем и получают постоянное напря>кение 40 вида

012 = ЯЗК432 (1 + у8)81(1 + у8) К1К2(1 + yz) X

ХК (1+У4) г (1+ (1 +У1)) (16

45 где Зз — крутизна фазочувствительного выпрямителя.

Выпрямленное напряжение заряжает интегратор 19, выходное напряжение которого воздействует на регистратор 20. Двигатель лентопротяжного механизма регистратора 20 одновременно с протяжкой диаграммной бумаги перестраивает частоту переменного напряжения источника 2, В результате плавной пеРестРойки испытательной частоты и проявления частотной дисперсии сопротивления измерительной ячейки 9 изменяется напряжение на выходе фазочувствительного выпрямителя 18 и соответственно на выходе интегратора 19. ИзЛБг 20

} 8 = — относительная частотная noSz грешность детектирования, Из выпрямленных пакетов напряжений

Ug и 01о фильтром низкой частоты 17 выделяют переменное напряжение частоты кол1- 25 мутации (18) При этом выходное напряжение, сохраняемое интегратором 19, регистрируется и поддерживает положение движка реохорда в соответствии с условием (17). Регистрируя относительные изменения коэффициента передачи делителя напря>кения у1 в цепи постоянного напряжения при медленных изменениях испытательной частоты и), в диапазоне l4I4I- — &43Kc определяют частотную характеристику ячейки в этом диапазоне частот и ее экстремальные значения. По экстремальным значениям частотной характеристики полного сопротивления измерительной ячейки судят о концентрации различных компонентов в исследуемом материале или среде, По текущему значению испытательной частоты, соответствующему перемещению диаграммной ленты, и положениям очередных экстремумов на ленте судят о химическом или биологическом составе регистрируемых компонент.

При этом результат измерения не зависит от величины сопротивления ячейки R, которая определяется количеством анализируемого вещества и температурой, а также не зависит от непостоянства амплитуды или мощности колебаний испытательной частоты при изменении последней (} 2 ), неравномерностей частотных характеристик преобразователей переменного ока в напряжение (y4), множительного преобразователя (}q) и амплитудного детектора (ys ).

Благодаря перемноженик> пакетов постоянного напряжения с пакеталми переменного напряжения и последующему амплитудному детектиров нию r„"K òîâ намерительный л1еханизл1 регистратора 20 rèнетически связан с дви>кком расхода 4, перемещение ие которого от н оси1ел ь но среднего положения определяет относительные изменения постоянных напряжений, подаваемых соответственно на измерительную ячейку 9 и безреактивный резистор 10, Движком реохорда устанавливается в положение, соответствующее нулевому значению сигнала на выходе фазочувствительного выппямителя 18, т. е.

U12 = 0, Приравнивая выражение (16) к нулю, получаем

1:ж „+,,)

1 +y3 (17) отсюда имеем

2}/1

1+}1

Для малых частотных изменений модуля полного сопротивления ячейки ys (cu) «1) выражение (18) упрощается уз (в)= — 2y1. (19) 1774242

12 пряжений одной и той же частоты обеспечивается получение информации о частотных изменениях модуля полного сопротивления измерительной ячейки независимо от соотношения активной и реактивной составляющих ее полного сопротивления и частотных погрешностей блоков измерительной схемы, Исключено также влияние фазовых сдвигов, вносимых ячейкой. на точность измерения частотных изменений модуля полного сопротивления.

Полное сопротивление измерительных ячеек с водными растворами диметилформамида на постоянном токе в пределах

10+1000 кОм, В качестве множительного блока использованы интегральные перемножители сигналов типа 525ПС2, автоматические переключатели выполнены на полевых транзисторах типа КП 302Б, В качестве регистратора с управляемым реохордом использован самописец уровней H 110.

Благодаря исключению влияния собственных частотных изменений преобразователей ток-напряжение, множительного блока, широкополосного усилителя и детектора возможно обнаружение и регистрация малых относительных .частотных изменений полного сопротивления измерительной ячейки начиная с 0,03+ 0,05 с относительной погрешностью не более 0,5+1%.

Использование предлагаемого устройства контроля параметров многокомпонентных материалов и сред по сравнению с существующими способами обеспечивает следующие преимущества:

1. Повышается достоверность контроля состава и концентрации многокомпонентных материалов и сред за счет повышения точности определения относительной неравномерности частотных характеристик измерительных резистивных ячеек.

2. Расширяется использование образцовых мер постоянного тока для определения частотных свойств измерительных ячеек с исследуемой многокомпонентной средой B широком диапазоне частот.

3. Результат измерения не зависит от абсолютной величины сопротивления ячейки и от определяющих ее температуры пробы и количества вещества в пробе, 20

Формула изобретения

Устройс-во для контроля параметров многокомпонентных материалов, содержащее источник постоянного опорного напря>кения, регулируемый по частоте источник переменного напряжения; резистивную измерительную ячейку, первый переключатель, первый преобразователь ток — напряжение, амплитудный детектор, фильтр низкой частоты, фазочувствительный выпрямитель, интегратор, регистратор, генератор прямоугольных импульсов, делитель напряжения, причем выход источника переменного напря>кения через первый переключатель, а выход источника постоянного опорного напряжения через делитель напряжения и первый переключатель. соединены с резистивной измерительной ячейкой, амплитудный детектор, фильтр низкой частоты, фазочувствительный выпрямитель, интегратор и регистратор соединены последовательно, регистратор одним выходом кинематически соединен с входом регулировки частоты источника переменного напряжения, а выход генератора прямоугольных импульсов соединен с управляющими входами первого переключателя и фазочувствительного выпрямителя, о т л и ч а ю.щ е е с я тем, что, с целью повышения точности за счет исключения частотной погрешности, вносимой схемными элементами, оно дополнительно содержит второй преобразователь ток-напряжение, три переключателя, безреактивный резистор, блок умножения, причем выход источника переменного напряжения через. второй переключатель, а выход источника постоянного опорного напряжения через делитель напряжения и второй переключа40 тель соединены с безреактивным резистором, резистивная иэMåpèòåëüíàÿ ячейка через четвертый, а беэреактивный резистор через третий переключатель соединены с первым и вторым преобразователями ток45 напряжение, выходы первого и второго преобразователей ток — напряжение соединены соответственно с первьпл и вторым входами блока умножения, выход которого соединен с амплитудным детектором, регистратор

50 вторым. выходом кинематически соединен с регулирующим входом делителя напряжения, а все переключатели управляющими входами соединены с генератором прямоугольных импульсов.

1774242

Составитель К.Маркусик

Техред М.Моргентал Корректор M.Øàðoøè

Редактор

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

Заказ 3923 Тираж Подписное

ВХИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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