RU1774242C - Устройство дл контрол параметров многокомпонентных материалов - Google Patents

Abstract

Использование: неразрушающий контроль материалов. Сущность изобретени : устройство содержит источник опорного напр жени , регулируемый по частоте источник переменного напр жени , резистивную измерительную  чейку, переключатели, преобразователи ток-напр жение, амплитудные детектор, фазочувствительный выпр митель , интегратор, генератор пр моугольных импульсов, делитель напр жени , блок умножени . 1 ил.

Description

Изобретение относитс  к неразрушающему физическому контролю по частотным изменени м полного сопротивлени  и может быть использовано дл  контрол  многокомпонентных материалов и сред по форме частотных характеристик резистивных измерительных  чеек, содержащих исследуемый материал или среду. .

Известно устройство контрол  параметров многокомпонентных материалов и сред по частотной дисперсии электропроводности , содержащее первый и второй генераторы перестраиваемых частот, балансный1 смеситель, параллельно включенные атте- нюатор и фильтр НЧ, фильтр ВЧ, управл емый переключатель, усилитель-ограничитель, измерительную  чейку, соединенную последовательно с низкоомным шунтом, второй балансный смеситель, избирательный усилитель, настраиваемый на частоту второго исходного сигнала, последовательно включенные с ним амплитудный детектор, усилитель частоты коммутации, фазочувствительный выпр митель и измерительный прибор. В устройстве ,такжесодержатс  дифференциальный усилитель, первый вход которого подключен к выходу амплитудного детектора, второй выход - к источнику стабилизированного напр жени , а выход - к управл ющему входу избирательного усилител , а также коммутационный генератор, выход которого подключен к управл ющим входам управл емого переключател  и фа- зочувствительного выпр мител  1.

Недостатком такого устройства  вл етс  снижение точности измерени  при работе в широком частотном диапазоне, св занное с частотными погрешност ми избирательного усилител  и амплитудного детектора , работающих во всем диапазоне перестройки частоты второго исходного сигнала . Кроме того, при перестройке частоты генератора второго исходного сигнала могут по витьс  дополнительные погрешности вследствие неточной подстройки

(Л

С

vj

2

ю

Јь N3

частоты избирательного усилител , что также снижает точность измерени  дисперсии электропроводности и достоверность контрол  параметров последуемых материалов и сред.

Известно устройство измерени  частотной дисперсии электропроводности широкополосных кондуктометрических  чеек, содержащее генератор опорной частоты и генератор перестраиваемой частоты, которые через аттенюаторы и управл емый переключатель соединены с внутренним электродом коаксиальной проточной  чейки , наружный электрод которой соединен со входом широкополосного преобразовател  ток - напр жение, выход преобразовател  соединен с сигнальным входом синхронного детектора, управл ющий вход которого соединен с выходом переключател , к выходу синхронного детектора подключены последовательно соединенные усилитель низкой частоты, фэзочувствительный выпр митель и фильтр низкой частоты, выход которого соединен с управл ющим входом одного из аттенюаторов, внутренний (входной ) электрод  чег1ки соединен с линейным амплитудным детектором и логарифмато- ром, к выходу которого подключены вторые последовательно соединенные усилитель низкой частоты, фазочувствительный выпр митель и фильтр низкой частоты, выходом соединенный со входом регистратора, лентопрот жный механизм которого соединен с блоком регулировки частоты генератора перестраиваемой частоты, а управл ющий вход переключател  и управл ющие входы фазочувствительных выпр мителей подключены к генератору импульсов пр моугольного напр жени  2, В результате плавной перестройки испытательной частоты и наличи  дисперсии электропроводности измерительной  чейки измен етс  выходное посто нное напр жение , которое регистрируетс  и отображает дисперсионную характеристику  чейки.

По экстремальным значени м дисперсионной частотной характеристики суд т о концентрации различных компонент в исследуемой среде, а по времени регистрации (текущей частоте), соответствующему очередному экстремуму характеристики, -о хи- мическом или биологическом составе регистрируемой компоненты.

Однако известному устройству присущи следующие недостатки:

- измер ютс  частотные изменени  только активной составл ющей полного сопротивлени , неконтролируемые изменени  реактивной составл ющей

обуславливают большие погрешности в определении частотных изменений полного сопротивлени ;

-при сравнении активных составл ю- щих токов  чейки на опорной и испытательной частотах неизбежны дополнительные частотные погрешности, вносимые преобразователем ток-напр жение и синхронным детектором, имеющими собственные

0 неравномерные частотные характеристики;

-операци  логарифмировани  позвол ет выделить сигнал, пропорциональный относительному частотному изменению, только при его малых значени х, при боль5 ших относительных изменени х возникает больша  методическа  погрешность;

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

0 разности малых токов разных частот, предварительное усиление на разных частотах неизбежно искажает отношение амплитуд разных частотных сигналов.

Целью изобретени   вл етс  повыше5 ние точности контрол  за счет исключени  частотной погрешности вносимой схемными элементами.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в устройство дл  контрол  параметров мно0 гокомпонентных материалов, содержащее источник посто нного опорного напр жени , регулируемый по частоте источник переменного напр жени , резистивную измерительную  чейку, первый переключа5 тель, первый преобразователь ток-напр жение , амплитудный детектор, фильтр низкой частоты, фазочувствительный выпр митель , интегратор, регистратор, генератор пр моугольных импульсов, делитель

0 напр жени , причем выход источника переменного напр жени  через первый переключатель , а выход источника посто нного опорного напр жени  через делитель напр жени  и первый переключатель соеди5 нены с резистивной измерительной  чейкой, амплитудный детектор, фильтр низкой частоты, фазочувствительный выпр митель , интегратор и регистратор соединены последовательно,- регистратор одним

0 выходом кинематически соединен с входом регулировки частоты источника переменного напр жени , а выход генератора пр мо- угольных импульсов соединен с управл ющими входами первого переклю5 чател  и фазочувствител ьно го в ы п р  мител  , введены дополнительно элементы, включенные следующим образом:

- второй преобразователь ток-напр жение , три переключател , безреактивный резистор, блок умножени ;

-выход источника переменного напр жени  через второй переключатель, а выход источника посто нного опорного напр же- ни  через делитель напр жени  и второй переключатель соединены с безреактивным резистором;

-резистивна  измерительна   чейка через четвертый переключатель, а безреактивный резистор через третий переключатель соединены с первым и вто- рым преобразовател ми ток-напр жение ;

-выходы первого и второго преобразователей ток-напр жение соединены соответственно с первым и аторым входами блока умножени  выход которого соединен

с амплитудным детектором;

-регистратор вторым выходом кинематически соединен с регулирующим входом делител  напр жени ;

-все переключатели управл ющие входами соединены с генератором пр моугольных импульсов,

Схема предлагаемого устройства представлена на чертеже.

Устройство включает источник 1 посто нного опорного напр жени , источник 2 переменного напр жени  испытательной частоты, делитель 3 посто нного напр жени , состо щий из регулируемого реохорда 4 и посто нных резисторов 5 и 6, первый и второй переключатели и 8, резистивную измерительную  чейку 9, безреактивный резистор 10, третий и четвертый переключатели 11 и 12, преобразователи ток-напр жение 13 и 14, блок умножени 

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

20 и генератор 21 пр моугольных импуль- сов.

Источник 1 посто нного напр жени  через делитель 3 напр жени  соединен с одними противоположными входами переключателей 7 и 8, другие противоположные входы которых соединены с источником 2 переменного напр жени . Выходы переключателей 7 и 8 через измерительную  чейку 9 и безреактивный резистор 10 соединены с входами переключателей 11 и 12, противоположные выходы которых соединены между собой. К противоположным выходам переключателей 11 и 12 через преобразователи ток-напр жение 13 и 14 подключены входы блока умножени  15, к выходу которого подключены последовательно соединенные амплитудный детектор

16,фильтр 17, низкой частоты, фазочувствительный выпр митель 18, интегратор 19, и регистратор 20, лентопрот жный механизм

которого кинематически соединен с блоком регулировки частоты источника 2. Пишущий механизм регистратора 20 кинематически соединен с движком реохорда 4 делител  3 напр жени , соединенного с выходом источника 1 посто нного напр жени  и нагруженного на посто нные резисторы 5 и 6 . Управл ющие входы переключателей 7, 8, 11, 12 и управл ющий вход фазочувстви- тельного выпр мител  18 подключены к выходу генератора 21 пр моугольных импульсов.

Устройство работает следующим образом .

На резистивную измерительную  чейку, содержащую контролируемый материал или среду, при помощи переключател  7 поочередно воздействуют с низкой частотой ком- мутации Q пакетами опорного и зондирующего напр жений. Пакеты опорного напр жени  формируютс  из посто нного напр жени  источника 1. регулируемого делителем 3:

(1+yi)U0,(1)

где Ki - коэффициент передачи делител  напр жени ;

71

AKi Кь

- относительное изменение

регулируемого напр жени .

Пакеты зондирующего напр жени  формируютс  из переменного напр х.ени  источника 2

U2 Um (1 +У2) Sin (u)t ),(2)

где Jm, амплитуда, частота и фаза колебаний;

У2

AUH

Ur

относительное изменение

зондирующего напр жени  при регулировке его частоты.

Испытательную частоту (а измен ют в заданном частотном диапазоне ( +Шмакс), а частоту коммутации выбирают в 10 + 20 раз меньше минимальной частоты испытательного напр жени ( Q

мин

10+20j

В один полупериод коммутации Т через  чейку протекает посто нный

ток, значение которого определ етс  ее омическим сопротивлением

, (1 + yi)U0,

11 RiRi

где Ri - омическое сопротивление измерительной  чейки,

В другой полупериод коммутации

л

протекает переменный ток, завис щий от полного сопротивлени   чейки

I - U2 - Um(1 + Г2) у Ь-Г Ri(1+ys) X

Xsin (tot + $o-fA i),

где2- ки,

модуль полного сопротивлени   чейУ3

Z-Ri AZ(o)

относиRi Ri тельное частотное изменение модул  полного сопротивлени ;

- дополнительный фазовый сдвиг, возникающий из-за наличи  реактивной составл ющей сопротивлени   чейки.

При помощи переключател  11 коммутируют токи И и 2 на входы преобразователей 13 и 14, на выходах которых получают напр жени  вида:

(1+yi)KiK2 (1+У4)12

Uo Ri

Кз(1 +У4) м + }х Ri(1 + W) 11

XUm sin (on+y + A pi+Дда), (6)

где К2 и Кз- коэффициенты преобразовани  посто нного и переменного токов в напр жение;

ДКзО)

У4 „- относительна  часКз

тотна  погрешность преобразовани  тока испытательной частоты в напр жени ,

A дополнительный фазовый сдвиг, вносимый в процессе преобразовани  тока в напр жение.

Одновременно при помощи переключател  8 пакетами посто нного и переменного напр жений, но с противоположной последовательностью и противоположным регулированием изменени  посто нного напр жени , воздействуют на безреактивный резистор с сопротивлением R2, равным омическому сопротивлению  чейки (R2 ). В результате этого через безреактивный резистор в полупериод коммутации т протекает переменный ток

|,У 13 R2

Um

R2 Xsin (ot +90),

(1

а в полупериод коммутации TI - посто нный ток

U

Ki(1 -yi)

R2

Uc

(8)

5 Аналогичным образом, производ  коммутацию переключателем 12, токи з и А преобразуют в пакеты пропорциональных напр жений:

10

15

20

25

30

35

40

45

U5 K3(1+y4)(1R2+) X

XUm(1 +J)sln(Wt+0),(9)

Ue K2l4 Ki(1 -У1)(10)

Переключатели работают таким образом , что на вход преобразовател  13, выполненного на операционном усилителе с параллельной обратной св зью, воздействуют только посто нные токи, протекающие через измерительную  чейку 9 и безреактивный резистор 10, которые после преобразовани  в пропорциональные напр жени  поочередно воздействуют на один вход блока умножени  15. На второй преобразователь 14 воздействуют соответственно только переменные токи, протекающие через безреактивный резистор 10 и измерительную  чейку 9, и на второй вход блока 15 умножени  воздействуют только переменные напр жени , пропорциональные токам.

Далее перемножают пакеты посто нного напр жени  Us с пакетами переменного напр жени  Us, а пакеты переменного напр жени  U4 перемножают с пакетами посто нного напр жени  Ue. В результате на выходе блока умножени  15 в прлупериод Сформируютс  пакеты переменного напр жени  испытательной частоты а

(1 +y5)U3U5 Si(1 +ys)X

XKl (1 +yi)K2(1 +У2) X Кз (1 + y4)X UbUm

X

R2

sin(wt +(p).

(11)

где Si - крутизна (чувствительность) множительного преобразовани ; ASi(u))

относительное частотное

изменение крутизны преобразовани ,

В полупериод ъг формируютс  пакеты переменного напр жени  той же частоты а)

55 „ U8 Si(1 +ye)U4U6

Si (1 +ys) KI (1 -yi)K2 (1 +yz)K3 О +У4)х

XUUm

R2(1 +Уз)

sin(wt +9 + + ), (12)

При непрерывной работе переключателей 7, 8, 11 и 12, которые управл ютс  пр моугольными импульсами напр жени  генератора 21, пакеты переменных напр жений U и Us с выхода блока 15 умножени  поочередно детектируютс  амплитудным детектором 16.

(1 + ye)U7

5е(1 +343)81(1 + ys)Ki(1 + yi)x

хКгО+хОКзО+УЮ 1,(13)

R

Цю S2 (1 + уе) Us S2 (1 + ye)Si(1 +ys

XKl(1 -У1)К2(1 +У2)К3(1 + У4) UoUmГ14-,

R20+ya) ()

где S2 - крутизна амплитудного детектировани .

Уб

AS2

- относительна  частотна  погрешность детектировани .

Из выпр мленных пакетов напр жений Ug и Uio фильтром низкой частоты 17 выдел ют переменное напр жение частоты коммутации

Un К4

Iho-Ug

signsin(Ј2t +Ф) (15)

где К/1 - коэффициент передачи фильтра низкой частоты,

sign sin Q t - пр моугольна  огибающа  пакетного напр жени ;

Ф- фаза огибающей, завис ща  от знака относительного частотного изменени  полного сопротивлени   чейки.

Напр жение Un частоты коммутации выпр мл ютфазочувствительным выпр мителем и получают посто нное напр жение вида

U12 S3K4S2(1 + Уб)81(1 +Уь)К1К2(1 +У2)Х

хКз(1 + У4) fryJ-O +Jt),OS)

где 5з крутизна фазочувствительного выпр мител .

Выпр мленное напр жение зар жает интегратор 19, выходное напр жение которого воздействует на регистратор 20. Дви- гатель лентопрот жного механизма регистратора 20 одновременно с прот жкой диаграммной бумаги перестраивает частоту переменного напр жени  источника 2. В результате плавной перестройки испытательной частоты и про влени  частотной дисперсии сопротивлени  измерительной  чейки 9 измен етс  напр жение на выходе фазочувствительного выпр мител  18 и соответственно на выходе интегратора 19. Из

, 5

1°

15

20

25

30

35

40

45

50

55

1 +yi)o,

УЗ

(17)

(18)

мерительный механизм регистратора 20 кинетически св зан с движком расхода 4, перемещение которого относительно среднего положени  определ ет относительные изменени  посто нных напр жений , подаваемых соответственно на измерительную  чейку 9 и безреакгивный резистор 10. Движком реохорда устанавливаетс  в положение, соответствующее нулевому значению сигнала на выходе фазочувствительного выпр мител  18, т. е. Ui2 0. Приравнива  выражение (16) к нулю, получаем

1 + УЗ

отсюда имеем 2yi 1 + У1

Дл  малых частотных изменений модул  полного сопротивлени   чейки )з (ГУ) « 1) выражение (18) упрощаетс 

yj(Јu)«-2yi..О9)

При этом выходное напр жение, сохран емое интегратором 19, регистрируетс  и поддерживает положение движка реохорда в соответствии с условием (17). Регистриру  относительные изменени  коэффициента передачи делител  напр жени  yi в цепи посто нного напр жени  при медленных изменени х испытательной частоты а) в диапазоне - сомакс определ ют частотную характеристику  чейки в этом диапазоне частот и ее экст ремапьные значени . По экстремальным значени м частотной характеристики полного сопротивлени  измерительной  чейки суд т о концентрации различных компонентов в исследуемом материале или среде. По текущему значению испытательной частоты, соо ветствую- щему перемещению диаграммной ленты, и положени м очередных экстремумов на ленте суд т о химическом или биологическом составе регистрируемых компонент. При этом результат измерени  не зависит от величины сопротивлени   чейки R, котора  определ етс  количеством анализируемого вещества и температурой, а также не зависит от непосто нства амплитуды или мощности колебаний испытательной частоты при изменении последней ( у2 ). неравно- мерностей частотных характеристик преобразователей переменного тока в напр жение ( уз), множительного преобразовател  (уз) и амплитудного детектора ( ув )

Благодар  перемножению пакетов посто нного напр жени  с пакетами переменного напр жени  и последующему амплитудному детектированию нар жений одной и той же частоты обеспечиаетс  получение информации о частотных зменени х модул  полного сопротивлени  змерительной  чейки независимо от соотношени  активной и реактивной составл ющих ее полного сопротивлени  и частотных погрешностей блоков измерительной схемы . Исключено также вли ние фазовых сдвигов, вносимых  чейкой, на точность измерени  частотных изменений модул  полного сопротивлени .

Полное сопротивление измерительных  чеек с водными растворами диметилфор- мамида на посто нном 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 управл емым реохордом использован самописец уровней Н 110. Благодар  исключению вли ни  собственных частотных изменений преобразователей ток-напр жение, множительного блока, широкополосного усилител  и детектора возможно обнаружение и регистраци  малых относительных частотных изменений полного сопротивлени  измерительной  чейки начина  с 0,03 + 0,05% с относительной погрешностью не более 0,5+1 %.

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

1.Повышаетс  достоверность контрол  состава и концентрации многокомпонентных материалов и сред за счет повышени точностиопределени  относительной неравномерности частотных характеристик измерительных рези- стивных  чеек.

2.Расшир етс  использование образцовых мер посто нного тока дл  определени  частотных свойств измерительных  чеек с исследуемой многокомпонентной средой в широком диапазоне частот.

3.Результат измерени  не зависит от абсолютной величины сопротивлени   чейки и от определ ющих ее температуры пробы и количества вещества в пробе.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Устройство дл  контрол  параметров многокомпонентных материалов, содержащее источник посто нного опорного напр жени , регулируемый по частоте источник переменного напр жени , резистивную измерительную  чейку, первый переключатель , первый преобразователь ток-напр жение , амплитудный детектор,

   фильтр низкой частоты, фазочувствитель- ный выпр митель, интегратор, регистратор, генератор пр моугольных импульсов, делитель напр жени , причем выход источника переменного напр жени  через первый переключатель , а выход источника посто нного опорного напр жени  через делитель напр жени  и первый переключатель, соединены с резистивной измерительной  чейкой , амплитудный детектор, фильтр низкой

   частоты, фазочувствительный выпр митель интегратор и регистратор соединены последовательно , регистратор одним выходом кинематически соединен с входом регулировки частоты источника переменного напр жени , а выход генератора пр моугольных импульсов соединен с управл ющими входами первого переключател  ифазочувствительного выпр мител , отличающеес  тем, что, с целью

   повышени  точности за счет исключени  частотной погрешности, вносимой схемными элементами, оно дополнительно содержит второй преобразователь ток-напр жение, три переключател , безреактивный резистор , блок умножени , причем выход источника переменного напр жени  через второй переключатель, а выход источника посто нного опорного напр жени  через делитель напр жени  и второй переключатель соединены с безреактивным резистором , резистивна  измерительна   чейка через четвертый, а безреактивный резистор через третий переключатель соединены с первым и вторым преобразовател ми ток5 напр жение, выходы первого и второго преобразователей ток-напр жение соединены соответственно с первым и вторым, входами блока умножени , выход которого соединен с амплитудным детектором, регистратор

   0. вторым выходом кинематически соединен с регулирующим входом делител  напр же- ни , а все переключатели управл ющими входами соединены с генератором пр моугольных импульсов.

   5

   79

   ft

   20

   L

   t

   Я

   /7

   /6