устройство для контроля заданного погонного сопротивления микропровода в стеклянной изоляции

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЗАДАННОГО ПОГОННОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ МИКРОПРОВОДА В СТЕКЛЯННОЙ ИЗОЛЯЦИИ, содержащее два цилиндрических проходных электрода, два генератора переменного напряжения, управляемый ключ, образцовый конденсатор, два преобразователя напряжение-код, блок управления и вычислительный блок, причем два источника переменного напряжения соединены с постоянными контактами управляемого ключа, переключающийся контакт которого соединен с первым цилиндрическим проходным электродов и первым входом первого преобразователя напряжение-код, разрядные выходы кода которого соединены с первой шиной данных вычислительного блока, а второй выход готовности данных соединен с первым входом разрешения записи в память вычислительного блока, выход конец записи которого соединен с входом блока управления, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с управляющим входом управляемого ключа, вторым входом первого преобразователя напряжение-код и вторым входом второго преобразователя напряжение-код, разрядные выходы кода которого соединены с второй шиной данных вычислительного блока, а второй выход готовности данных соединен с вторым входом разрешения записи в память вычислительного блока, второй цилиндрический проходной электрод соединен с одним выводом образцового конденсатора, отличающийся тем, что в него введены операционный усилитель и два одинаковых сопротивления, при этом второй цилиндрический проходной электрод соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, выход которого соединен с вторым выводом образцового конденсатора, первым входом второго преобразователя напряжение-код и через первое сопротивление с неинвертирующим входом операционного усилителя, который через второе сопротивление соединен с общей шиной.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в технологическом оборудовании при производстве микропровода в стеклянной изоляции с заданным погонным сопротивлением.

Известно устройство для контроля заданного погонного сопротивления микропровода в стеклянной изоляции, содержащее два электрода, относительно которых перемещается контролируемый провод, генератор переменного тока, выполненный с плавающей средней точкой и снабженный элементом, управляющим ее положением, к которому подключен фазочувствительный усилитель, задатчик образцового сопротивления и индикатор [1]

Известное устройство характеризуется относительной сложностью, обусловленной наличием фазочувствительного усилителя, задатчика сопротивления, генератора переменного тока с плавающей средней точкой и связей между ними, которые должны быть точно настроены для фиксации среднего положения плавающей точки генератора переменного тока, что особенно проявляется при переналадке устройства на измерение погонного сопротивления микропроводов других номиналов и приводит к дополнительным материальным и трудовым затратам.

Известно также устройство для контроля заданного погонного сопротивления микропровода в стеклянной изоляции, содержащее два цилиндрических проходных электрода, два генератора переменного напряжения, управляемый ключ, образцовый конденсатор, блок управления, два преобразователя напряжение-код и вычислительный блок. Измеряемый провод пропускается сквозь цилиндрические проходные электроды, первый из которых через управляемый ключ соединен попеременно с двумя генераторами переменного напряжения и с входом первого преобразователя напряжение-код, разрядные выходы кода которого соединены с первой шиной данных вычислительного блока, а второй выход готовности данных соединен с первым входом разрешения записи в память вычислительного блока, второй цилиндрический проходной электрод соединен через образцовый конденсатор с общей шиной и с входом второго преобразователя напряжение-код, разрядные выходы кода которого соединены с второй шиной данных вычислительного блока, а второй выход готовности данных соединен с вторым входом разрешения записи в память вычислительного блока, выход конца записи вычислительного блока соединен с входом блока управления, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с управляющим входом управляемого ключа, с входами начала преобразования первого и второго преобразователей напряжение-код [2]

Известное устройство характеризуется относительно малым диапазоном измерения погонного сопротивления микропровода, особенно с высоким омическим сопротивлением, при котором напряжение на выходе на втором электроде очень мало, что приводит к снижению точности измерения.

Целью настоящего изобретения является расширение диапазона измерений устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве для контроля заданного погонного сопротивления микропровода в стеклянной изоляции, содержащем два цилиндрических проходных электрода, два генератора переменного напряжения, управляемый ключ, образцовый конденсатор, два преобразователя напряжение-код, блок управления и вычислительный блок, причем два источника переменного напряжения соединены с постоянными контактами управляемого ключа, переключающийся контакт которого соединен с первым цилиндрическим проходным электродом и с первым входом первого преобразователя напряжение-код, разрядные выходы кода которого соединены с первой шиной данных вычислительного блока, а второй выход готовности данных соединен с первым входом разрешения записи в память вычислительного блока, выход "Конец записи" которого соединен с входом блока управления, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с управляющим входом управляемого ключа, вторым входом первого преобразователя напряжение-код и вторым входом второго преобразователя напряжение-код, разрядные выходы кода которого соединены с второй шиной данных вычислительного блока, а второй выход готовности данных соединен с вторым входом разрешения записи в память вычислительного блока, второй цилиндрический проходной электрод соединен с одним выводом образцового конденсатора, введены операционный усилитель и два одинаковых сопротивления, при этом второй цилиндрический проходной электрод соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, выход которого соединен с вторым выводом образцового конденсатора, первым входом второго преобразователя напряжение-код и через первое сопротивление с неинвертирующим входом операционного усилителя, который через второе сопротивление соединен с общей шиной.

Использование в предлагаемом устройстве операционного усилителя (ОУ) позволяет расширить диапазон измерений.

На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 эквивалентная схема преобразователя; на фиг. 3 схема блока управления; на фиг. 4 а и б схемы преобразователей напряжение-код.

Устройство (фиг. 1) содержит измеряемый микропровод 1, два цилиндрических проходных электрода 2 и 3, l_x расстояние между электродами, два генератора переменного напряжения 4 и 5, управляемый ключ 6, образцовый конденсатор 7, операционный усилитель (ОУ) 8, два одинаковых сопротивления 9 и 10 (R₁ и R₂ соответственно), блок 11 управления, два преобразователя 12 и 13 напряжение-код и вычислительный блок 14.

Измеряемый микропровод 1 пропускается сквозь цилиндрические проходные электроды 2 и 3. Первый электрод 2 через управляемый ключ 6 соединен попеременно с генераторами 4 и 5 переменного напряжения и с первым входом первого преобразователя 12 напряжение-код, разрядные выходы кода которого соединены с первой шиной данных вычислительного блока 14, а второй выход готовности данных соединен с первым входом разрешения записи вычислительного блока 14, второй цилиндрический проходной электрод 3 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 8, выход которого соединен через образцовый конденсатор 7 с инвертирующим входом операционного усилителя 8, через одно сопротивление 10 с неинвертирующим входом, который через второе сопротивление 9 соединен с общей шиной, выход операционного усилителя 8 соединен также с первым входом второго преобразователя 13 напряжение-код, разрядные выходы кода которого соединены с второй шиной данных вычислительного блока 14, а второй выход готовности данных соединен с вторым входом разрешения записи в память вычислительного блока 14, выход "Конец записи" которого соединен с входом блока 11 управления, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с управляющим входом управляемого ключа 6, вторыми входами первого и второго преобразователей 12 и 13 напряжение-код.

На фиг. 2 участок провода между электродами 2 и 3 длиной l_x имеет сопротивление R_x, конденсаторы, образуемые электродами 2 и 3 с измеряемым проводом 1, имеют емкости С₁ и С₂, суммарная емкость C_xC₁C₂/(C₁+C₂), CH емкость образцового конденсатора, R₁-R₂ делитель напряжения на два.

Устройство работает следующим образом. По сигналу "Пуск" блока 11 управления управляемый ключ 6 подключает к измерительной цепи первый генератор 4 переменного напряжения с частотой ₁ и запускаются последовательно во времени преобразователи 12 и 13 напряжение-код, которые преобразуют в код соответственно амплитуду напряжения U₀₁ на первом электроде 2 и U₁ на выходе операционного усилителя 8, значения которых заносятся в память вычислительного блока 14, который по окончании записи выдает в блок 11 управления последовательно два сигнала, в результате в блоке 11 управления вырабатываются сигналы, которые подключают к цепи второй генератор 5 переменного напряжения с частотой ₂ и запускают преобразователи 12 и 13, которые преобразуют в код амплитуды напряжений U₀₂ на первом электроде 2 и U₂ на выходе операционного усилителя 8, значения которых заносятся в память вычислительного блока 14, после чего вычисляются значения

, где k₁= и k₂= отношения амплитуд напряжений на двух частотах ₁ и ₂ при измерении контролируемого провода.

Но предварительно проводятся измерения при протяжке сквозь проходные цилиндрические электроды 2 и 3 эталонного провода сопротивлением R_э и вычисляется значение

, которое заносится в память вычислительного блока 14, как константа, где k_э1U_0э1/U_э1 и k_э2 U_оэ2/U_э2 отношения амплитуд напряжений на двух частотах ₁ и ₂ при измерении эталонного провода.

Сравнивая в вычислительном блоке 14 результаты измерений эталонного провода и контролируемого провода, определяют относительное погонное сопротивление, которое характеризует отклонение текущего значения сопротивления провода от эталонного:

.

Если в устройстве-прототипе при заданном отношении номинального сопротивления к эталонному R_н/R_э а, то при 0,1 а 10 можно охватить диапазон контролируемого сопротивления провода в 2 порядка при сравнении только с сопротивлением одного эталонного провода; в предлагаемом устройстве диапазон можно увеличить более чем на один порядок в сторону измерения сопротивления проводов с большим омическим сопротивлением, что осуществляется за счет повышения чувствительности устройства.

Блок 11 управления (фиг. 3) содержит два ключа 15 и 16, двоичный счетчик 17, триггер 18, два элемента задержки 19 и 20. При этом вычислительный блок 14 через ключ 15 соединен с двоичным счетчиком 17, который соединен с первым входом триггера 18, выход которого соединен с управляющим входом управляемого ключа 6 и через элементы задержки 19 и 20 с преобразователями 12 и 13 напряжение-код. Через ключ 16 на второй вход триггера 18 подается положительное напряжение. При включении ключа 16 на вход триггера 18 подается положительное напряжения, триггер 18 срабатывает и подключает к цепи генератор 4 переменного напряжения с частотой ₁ и через элементы задержки 19 и 20 последовательно во времени запускает преобразователи 12 и 13 напряжение-код соответственно. По поступлению на вход блока 11 управления сигналов об окончании записи в память вычислительного блока амплитуд напряжений U₀₁ и U₁ срабатывает двоичный счетчик 17, который запускает триггер 18, сигнал которого подключает через управляющий ключ 6 второй генератор 5 переменного напряжения с частотой ₂, а также через элементы задержки 19 и 20 последовательно во времени запускает преобразователи 12 и 13 напряжение-код и значения амплитуд напряжений U₀₂ и U₂ заносятся в память вычислительного блока 14, а затем происходят вычисления, сравнения с эталонным микропроводом R_x/R_э. Далее двумя последовательными сигналами вычислительного блока 14 запускается двоичный счетчик 17 и через триггер 18 и ключ 6 к цепи подключается первый генератор 4 переменного напряжения с частотой ₁ и осуществляется второй цикл двухтактовых измерений до тех пор, пока ключом 15 не будет остановлена работа блока 11 управления.

Преобразователи 12 и 13 напряжение-код (фиг. 4а,б) аналогичны и содержат амплитудные детекторы 21 и 23 и функционально-законченные аналого-цифровые преобразователи 22 и 24 типа К1113ПВ1, в которых имеются клеммы 10-разрядного цифрового выхода, готовности данных, начала преобразования, аналогового входа и питания.

В качестве вычислительного блока 14 могут использоваться стандартные микропроцессорные наборы, которые могут реализовать выполнение предлагаемого решения с выдачей конечного результата измерения в различном виде (печатном, дисплейном на мониторе, табло) (см. Микропроцессоры./Под ред. Л.И. Преснухина. Минск, Высшая школа, том 1 и 2, 1987).

При равенстве сопротивлений 9 и 10 (R₁ R₂) токи во входной цепи операционного усилителя 8 (фиг. 2) и на выходе равны. Тогда

, (1) где и комплексные напряжения на входе цепи (фиг. 2) и на выходе операционного усилителя; K_y коэффициент усиления операционного усилителя; Z_x R_x + +1/j C_x комплексное сопротивление системы электрод-микропровод-электрод (фиг. 2), R_x сопротивление микропровода длиной l_x между двумя электродами, C_x суммарная емкость двух конденсаторов, образованных электродами и микропроводом емкостью C₁и C₂ соответственно.

С_х C₁C₂/(C₁ + C₂), где Z_c= сопротивление конденсатора обратной связи.

Преобразуя (1), получим

- + -jC_oR + . (2) Квадрат модуля (2)

- + +²C²_oR + . (3)

Модули комплексного напряжения есть соответственно наблюдаемые амплитуды напряжений U_o и U_вых. Условно обозначим отношение U_o/U_выхчерез k. Тогда

k² - + -²C²_oR + . (4)

При измерениях на двух частотах ₁ и ₂ входных сигналов получаем систему из двух уравнений с тремя неизвестными С_х, R_x и K_y:

, (5) где k₁= и k₂= отношения амплитуд напряжений на двух частотах входных сигналов ₁ и ₂ при контроле измеряемого микропровода.

Решение (5) относительно

R_x= . (6)

При измерении стандартного микропровода получим

R_э= . (7)

Отношение (6) к (7) даст значение отклонения погонного сопротивления контролируемого микропровода

. (8)

Соотношение частот ₁ и ₂ можно определить из погрешности (6) из-за нестабильности частот ₁ и ₂

R_x= + , (9) где R_x, ₁, ₂ абсолютные погрешности соответствующих величин.

Продифференцировав (6) и проведя преобразования, получим

(R_x)= , (10) где (R_x)= относительная погрешность результата измерения сопротивления провода.

Полагая, что ₁ и ₂ малы, одного порядка и примерно равны

_{1 2} то получим

(R_x)= -. (11)

Абсолютная величина (11) имеет минимальное значение при ₁: ₂ 1, что не имеет смысла. Поэтому из удобств вычислительных операций выбирается соотношение _{1 2} 0,8, при котором погрешность (10) близка к минимальному значению. Погрешность (6) из-за нестабильности коэффициента усиления Ky операционного усилителя

(R_x)= , (12) где (K_у) относительная погрешность коэффициента усиления операционного усилителя.

Погрешность конечного результата измерения R_x/R_э определяется полным дифференциалом (8)

(R_x/R_э)= k₁+ k₂+ k_э1+ k_Э2, (13) где (R_x/R_э), k_1, k₂, k_э1, k_э2 абсолютные погрешности соответствующих величин.

Продифференцировав (8) и проведя преобразования, получим

(R_x/R_э) , (14) где (R_x/R_э) относительная погрешность результата измерения.

Полагая, что погрешности отношений напряжений k на обеих частотах малы, одного порядка и примерно равны

k₁ k₂ k

k_э1 k_э2 k_э, получим

(R_x/R_э) . (15)

При близких значениях частот близки значения отношений напряжений, каждая дробь в выражении (15) принимает близкое к минимальному значение, а выражение (15) разность двух близких по значению погрешностей, которые имеют один знак.

Для определения эффекта расширения диапазона измерения рассмотрим действительную составляющую (2), которая всегда будет больше нуля

- + > 0. (16)

Из (16) получим

> . (17)

Эффект расширения диапазона измерений достигается при выполнении условия

< . (18)

При известном диапазоне изменения значения R_x сопротивления провода по отношению к R_э может быть выполнено путем соответствующего выбора С_о емкости конденсатора обратной связи, что позволяет, помимо расширения динамического диапазона, повысить точность измерения за счет уменьшения погрешности, обусловленной конечным значением K_y (12).

В предлагаемом устройстве, согласно (2), измеряется эквивалентное сопротивление провода R_хэ, которое меньше, чем истинное R_x.

R_xэ= R + (19)

+ . (20)

Таким образом, введение операционного усилителя и двух сопротивлений позволяет расширить диапазон измерения устройства для контроля заданного погонного сопротивления микропровода в стеклянной изоляции.