вихретоковое измерительное устройство

Формула изобретения

Вихретоковое измерительное устройство, содержащее симметричный мультивибратор, выход которого соединен с входом делителя частоты, усилитель мощности, выход которого соединен с вихретоковым преобразователем, состоящим из последовательно соединенных измерительной и компенсирующей катушек индуктивности, причем выходом вихретокового преобразователя является узел соединения катушек индуктивности, а этот узел соединен с общей шиной через конденсатор, устройство содержит также сигнальный усилитель, тестовый и сигнальный синхронные детекторы, формирователь импульсов, фильтр низких частот и электронный ключ, последовательно соединенный с резистором, причем управляющий вход тестового синхронного детектора соединен с выходом делителя частоты, сигнальный вход этого синхронного детектора соединен со входом фильтра низких частот, а два управляющих входа синхронного детектора соединены с двумя противофазными выходами симметричного мультивибратора, отличающееся тем, что формирователь импульсов выполнен с четырьмя входами, два из которых соединены с двумя противофазными выходами симметричного мультивибратора, а два оставшихся входа соединены с двумя противофазными выходами делителя частоты, сигнальный усилитель выполнен по схеме инструментального усилителя, сигнальная цепь электронного ключа включена последовательно с резистором между общей шиной и объединенными выходом вихретокового преобразователя и сигнальным входом сигнального синхронного детектора, причем сигнальный выход последнего синхронного детектора через последовательно соединенные сигнальный усилитель и фильтр низких частот подключен к сигнальному выходу вихретокового измерительного устройства, а управляющий вход электронного ключа соединен с выходом формирователя импульсов.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и, в частности, к контролю параметров электропроводящих изделий. Оно может быть использовано в системах автоматического и электродистанционного управления, а также контроля и измерения геометрических и электрофизических параметров электропроводящих изделий и их перемещений.

Известно вихретоковое измерительное устройство, входящее в состав двухкоординатного преобразователя угловых перемещений (А.С. СССР №1379608, G 01 В 7/30, БИ №9, 1988 г.) и содержащее мультивибратор, подключенный к входам триггерного фазосдвигающего устройства, два усилителя мощности и два синхронных детектора, причем выходы триггерного фазосдвигающего устройства подключены к двум цепям, состоящим из последовательно соединенных усилителей мощности и пары связанных между собой катушек индуктивности, а также к управляющим входам синхронных детекторов, сигнальные входы которых подключены к узлам соединения соответствующих пар катушек индуктивности.

Недостатком известного устройства является отсутствие контроля за его работоспособностью, что может привести (в случае возникновения неисправности) к недостоверности выходных сигналов.

Известно также устройство (Дмитриев Ю.С. и другие "Универсальный полупроводниковый преобразователь для различных типов датчиков" в книге трудов международной научно-технической конференции "Методы и средства измерения в системах контроля и управления". Пенза: Информационно-издательский центр Пенз. Гос. ун-та, 2002. Стр.95...97), содержащее симметричный мультивибратор, два противофазных выхода которого соединены с двумя входами усилителя мощности и двумя управляющими входами синхронного детектора, а к двум противофазным выходам усилителя мощности последовательно подключены две катушки индуктивности вихретокового преобразователя, к общему узлу которых подключен сигнальный вход синхронного детектора и конденсатор, второй вывод которого соединен с общей шиной.

Недостатком этого устройства является, как и в предыдущем аналоге, отсутствие канала тестирования исправности.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа вихретоковое измерительное устройство (А.С. СССР №1422127, G 01 N 27/90, БИ №33, 1988 г.), имеющее канал тестирования исправности и содержащее последовательно соединенные генератор прямоугольных импульсов, формирователь импульсов, усилитель мощности, вихретоковый преобразователь, состоящий из последовательно соединенных и соосно расположенных измерительной и компенсационной катушек индуктивности, выходом которого является общая точка катушек индуктивности, второй усилитель и синхронный детектор, компенсатор, включенный между вторым выходом формирователя импульсов и входом второго усилителя, фазовращатель, включенный между вторым выходом формирователя импульсов и вторым входом синхронного детектора, и индикатор, и, кроме того, оно снабжено последовательно соединенными делителем частоты, вход которого подключен к выходу первого синхронного детектора, пороговым элементом и коммутатором, выход которого подключен к входу индикатора, и дополнительно снабжено фильтром нижних частот, включенным между выходом первого синхронного детектора и вторым выходом коммутатора, а также оно снабжено блоком тестирования, выполненным в виде последовательно соединенных в замкнутую цепь тестирующей катушки индуктивности, связанной через электромагнитное поле с компенсационной катушкой вихретокового преобразователя, резистора и электронного ключа, управляющий вход которого подключен к выходу делителя частоты.

Недостатком прототипа является введение в вихретоковый преобразователь третьей (тестирующей) катушки индуктивности, что приводит, во-первых, к увеличению габаритов вихретокового преобразователя, а во-вторых, к увеличению количества соединительных проводов между вихретоковым преобразователем и электронной частью вихретокового измерительного устройства, что, в свою очередь, увеличивает габариты кабелей связи и усложняет монтаж.

Особенно сильно указанный недостаток проявляется при миниатюризации вихретоковых измерительных устройств, что требуется на современном этапе совершенствования систем управления (и, в частности, систем электродистанционного управления подвижными объектами).

Вторым недостатком прототипа является наличие в нем некоторых элементов (фазовращатель и компенсатор), которые, как показали эксперименты, могут быть устранены без ухудшения качества работы устройства. За счет устранения избыточных элементов достигается упрощение вихретокового измерительного устройства.

Третьим недостатком прототипа является невозможность его использования с другими типами чувствительных элементов, например с тензорезистивными преобразователями (вместо вихретокового преобразователя), что сокращает сферу применения прототипа.

Поставлена задача - уменьшить габариты вихретокового преобразователя и кабеля связи, упростить электронный преобразователь вихретокового измерительного устройства и расширить возможности использования данного измерительного устройства за счет применения других типов чувствительных элементов при сохранении в этом измерительном устройстве возможности непрерывного тестирования работоспособности.

Поставленная задача решается за счет того, что в вихретоковом измерительном устройстве, содержащем симметричный мультивибратор, выход которого соединен со входом делителя частоты, усилитель мощности, выход которого соединен с вихретоковым преобразователем, состоящим из последовательно соединенных измерительной и компенсирующей катушек индуктивности, причем выходом вихретокового преобразователя является узел соединения катушек индуктивности, а этот узел соединен с общей шиной через конденсатор, а также сигнальный усилитель, выполненный по схеме инструментального усилителя, тестовый и сигнальный синхронные детекторы, формирователь импульсов, фильтр низких частот и электронный ключ, последовательно соединенный с резистором, причем управляющий вход тестового синхронного детектора соединен с выходом делителя частоты, а сигнальный вход этого синхронного детектора соединен со входом фильтра низких частот, а два управляющих входа сигнального синхронного детектора соединены с двумя противофазными выходами симметричного мультивибратора, согласно изобретению формирователь импульсов выполнен с четырьмя входами, два из которых соединены с двумя противофазными выходами симметричного мультивибратора, а два оставшихся входа соединены с двумя противофазными выходами делителя частоты, сигнальная цепь электронного ключа включена последовательно с резистором между общей шиной и объединенными выходом вихретокового преобразователя и сигнальным входом сигнального синхронного детектора, причем сигнальный выход последнего синхронного детектора через последовательно соединенные инструментальный усилитель и фильтр низких частот подключен к сигнальному выходу вихретокового измерительного устройства, а управляющий вход электронного ключа соединен с выходом формирователя импульсов.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается выполнением формирователя импульсов с четырьмя входами (вместо одного у прототипа), отсутствием третьей (тестирующей) катушки индуктивности в вихретоковом преобразователе, отсутствием компенсатора и фазовращателя, выполнением сигнального усилителя по схеме инструментального усилителя, а также связями между симметричным мультивибратором, формирователем импульсов, делителем частоты, электронным ключом и синхронными детекторами.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что в предлагаемом устройстве формирователь импульсов работает иначе, чем в прототипе (где он выполняет роль формирователя симметричных ортогональных последовательностей импульсов), а в аналогах формирователь импульсов отсутствует. В предлагаемом устройстве электронный ключ осуществляет низкочастотную модуляцию выходного сигнала вихретокового преобразователя за счет гальванического (непосредственного) подключения резистора между выходом вихретокового преобразователя и общей шиной. Существенной особенностью предлагаемого устройства является то, что реализованная здесь низкочастотная тестовая модуляция не создает смещения основного сигнала на входе и выходе инструментального усилителя. (Основной сигнал несет информацию о параметрах электропроводящих тел, находящихся в зоне действия вихретокового преобразователя). В результате этого обеспечивается взаимная независимость преобразования сигналов, несущих информацию о наличии и параметрах электропроводящих (или ферромагнитных) тел в зоне действия вихретокового преобразователя, а также о исправности устройства. Такое преимущество создается за счет того, что в течение одного полупериода тестового сигнала электронный ключ замыкается во время действия полуволн выходного сигнала вихретокового преобразователя с нечетными номерами, а во втором полупериоде тестового сигнала электронный ключ замыкается во время действия полуволн с четными номерами. Это позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию "существенные отличия".

На фиг.1 представлена функциональная схема предлагаемого вихретокового измерительного устройства. На фиг.2 приведены временные диаграммы сигналов, поясняющие принцип действия предлагаемого устройства. На фиг.3 показан пример выполнения устройства.

Вихретоковое измерительное устройство (фиг.1) содержит последовательно соединенные симметричный мультивибратор 1, усилитель мощности 2, вихретоковый преобразователь 3, сигнальный синхронный детектор 4, инструментальный усилитель 5, выполняющий роль сигнального усилителя, и фильтр низких частот 6. Предлагаемое устройство содержит также канал тестирования исправности, состоящий из делителя частоты 7, формирователя импульсов 8, электронного ключа 9 с резистором 10 и тестового синхронного детектора 11.

Пример реализации вихретокового измерительного устройства может быть выполнен, например, как показано на фиг.3.

Симметричный мультивибратор 1 может быть выполнен, например, так же, как и во втором аналоге, на основе четырех логических элементов 12 типа 2И-НЕ с использованием двух диодов 13 и конденсатора 14. Усилитель мощности 2 может быть выполнен на основе двух логических элементов 15 с открытым выходом. В усилителе мощности 2 используются также два идентичных резистора 16.

Вихретоковый преобразователь 3 содержит две катушки индуктивности 17 и 18, а также конденсатор 19.

Сигнальный синхронный детектор 4 содержит два логических элемента 20 с открытым выходом, два идентичных резистора 21 и два амплитудных детектора, состоящих из диодов 22 и конденсаторов 23. Для балансировки выходных сигналов сигнального синхронного детектора 4 в нем используется переменный резистор 24.

Инструментальный делитель 5 имеет типовую схему на основе двух операционных усилителей 25, четырех идентичных резисторов 26 и одного переменного резистора 27.

Фильтр низких частот 6 содержит резистор 28 и конденсатор 29. Делитель частоты 7 может быть выполнен, например, на основе двоичного счетчика импульсов 30 и D-триггера 31. В составе этого варианта делителя частоты 7 использован также резистор 32.

Формирователь импульсов 8 содержит четыре логических элемента 33 типа 2И-НЕ. Электронный ключ 9 реализован на логическом элементе 34 с открытым выходом.

Тестовый синхронный детектор 11 можно изготавливать с использованием логического элемента 35 с открытым выходом, двух конденсаторов 36 и 37, двух транзисторов 38 и 39, а также трех резисторов 40, 41, 42.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Симметричный мультивибратор 1 формирует две противофазные последовательности прямоугольных симметричных импульсов напряжения с частотой следования f₁, необходимой для работы вихретокового преобразователя 3. Импульсы напряжения с выходов мультивибратора 1 поступают на входы усилителя мощности 2, с выходов которого импульсы напряжения поступают на катушки индуктивности вихретокового преобразователя 3. Вихретоковый преобразователь 3 преобразует параметры электропроводящих тел, находящихся в зоне действия вихретокового преобразователя 3, в изменение сопротивлений (вносимые сопротивления) катушек индуктивности, входящих в состав вихретокового преобразователя 3. Катушки индуктивности, входящие в состав вихретокового преобразователя 3, образуют вместе с выходными цепями усилителя мощности 2 мостовую измерительную цепь. Поэтому изменение сопротивлений в катушках индуктивности преобразуется в изменение выходного напряжения вихретокового преобразователя 3. Кроме катушек индуктивности в состав вихретокового преобразователя 3 входит конденсатор, включенный между узлом соединения двух катушек индуктивности (выход вихретокового преобразователя 3) и общей шиной (этот конденсатор показан на фиг.3). Указанный конденсатор и катушки индуктивности образуют резонансный контур, который выделяет полуволны основной гармоники импульсного сигнала, питающего вихретоковый преобразователь 3. Если в зоне действия вихретокового преобразователя 3 нет электропроводящих тел и электронный ключ 9 разомкнут (закрыт), то временная зависимость выходного сигнала вихретокового преобразователя 3 имеет вид следующих друг за другом и равных по амплитуде полуволн, близких по форме к полуволнам синусоиды. Влияние электропроводящих тел, находящихся в зоне действия вихретокового преобразователя 3, проявляется в том, что соседние полуволны выходного сигнала вихретокового преобразователя 3 становятся различными по амплитуде и разница амплитуд соседних полуволн несет информацию о параметрах влияющего электропроводящего тела. В сигнальном синхронном детекторе 4 производится разделение выходного сигнала вихретокового преобразователя 3 на две группы: полуволн с четными и полуволн с нечетными номерами (фиг.2б, в). Два управляющих входа сигнального синхронного детектора 4 соединены с двумя противофазными выходами симметричного мультивибратора 1. Логические элементы 20 с открытым выходом выполняют роль управляемых ключей и их входы являются входами сигнального синхронного детектора 4. Выходные цепи логических элементов 20 с открытым выходом поочередно (с частотой f₁) замыкают узлы "Б" и "В" (фиг.3) на общую шину, благодаря чему производится разделение выходного сигнала вихретокового преобразователя 3 на две части. Затем выделенные части выходного сигнала вихретокового преобразователя 3 раздельно подвергаются амплитудному выпрямлению и после этого поступают на два выхода сигнального синхронного детектора 4. Разность выходных напряжений сигнального синхронного детектора 4 несет информацию о параметрах электропроводящих тел, находящихся в зоне действия вихретокового преобразователя 3. Разность выходных напряжений сигнального синхронного детектора 4 выделяется и усиливается в инструментальном усилителе 5 и через фильтр низких частот 6 поступает на сигнальный выход предлагаемого устройства. Скорость изменения напряжения на сигнальном выходе устройства равна скорости изменения контролируемых параметров электропроводящего тела, находящегося в зоне действия вихретокового преобразователя 3. Обычно эта скорость не велика и соответствующий ей диапазон частот не превышает 100...150 Гц.

Работа вихретокового измерительного устройства без тестового канала рассмотрена в статье Дмитриева Ю.С. и др. "Универсальный полупроводниковый преобразователь для различных типов датчиков" в книге трудов международной научно-технической конференции "Методы и средства измерения в системах контроля и управления". Пенза: Информационно-издательский центр Пенз. Гос. Ун-та, 2002, стр.95...97.

Суть тестирования исправности в предлагаемом устройстве состоит в том, что создается специальная низкочастотная амплитудная модуляция выходного сигнала вихретокового преобразователя 3 с помощью периодического шунтирования выходной цепи вихретокового преобразователя 3 электронным ключом 9 и резистором 10.

Низкочастотная амплитудная модуляция выходного сигнала вихретокового преобразователя 3 осуществляется с частотой в n раз ниже, чем частота f₁.

В первом полупериоде низкочастотного выходного сигнала делителя частоты 7 (временная диаграмма этого сигнала показана на фиг.2д) во время действия полуволн с четными номерами (номера показаны на фиг.2а для напряжения U_A на выходе вихретокового преобразователя 3) сигнальная цепь электронного ключа 9 замкнута (ключ открыт) и резистор 10 шунтирует выходную цепь вихретокового преобразователя 3. Для нечетных номеров полуволн сигнала U_A (фиг.2а) электронный ключ 9 разомкнут (закрыт) и тестовое шунтирование выходной цепи вихретокового преобразователя 3 прекращается, за счет чего увеличивается добротность резонансного колебательного контура, состоящего из катушек индуктивности 17 и 18 (входящих в состав вихретокового преобразователя 3) и конденсатора 19 (показан на фиг.3), подключенного между выходом вихретокового преобразователя 3 и общей шиной. Увеличение добротности резонансного колебательного контура приводит к возрастанию амплитуды полуволн с нечетными номерами по сравнению с полуволнами, имеющими четные номера (фиг.2а).

Во втором полупериоде низкочастотного выходного сигнала делителя частоты 7 электронный ключ 9 замыкается во время действия полуволн с нечетными номерами и поэтому здесь амплитуда полуволн с нечетными номерами меньше, чем у полуволн с четными номерами (фиг.2а).

В сигнальном синхронном детекторе 4 полуволны напряжения U _A с четными и нечетными номерами разделяются (фиг.2б, в) и подвергаются, по-раздельности, амплитудному детектированию. Разность двух выходных сигналов сигнального синхронного детектора 4 выделяется и усиливается в инструментальном усилителе 5. Таким образом, в выходном сигнале инструментального усилителя 5 имеются две составляющие: средняя составляющая, несущая информацию о параметрах электропроводящего тела, находящегося в зоне действия вихретокового преобразователя 3, и переменная (тестовая) составляющая с частотой f₁/n, несущая информацию об исправности предлагаемого устройства.

В фильтре низких частот 6 подавляется переменная (тестовая) составляющая с частотой f₁/n и выделяется средняя составляющая, которая и поступает на сигнальный выход предлагаемого устройства.

Переменная (тестовая) составляющая выходного напряжения инструментального усилителя 5 выделяется в тестовом синхронном детекторе 11, который работает следующим образом. Управляющим входом тестового синхронного детектора 11 является вход логического элемента 35 с открытым выходом. Управляющий вход тестового синхронного детектора 11 соединен с выходом (узел "Д" на фиг.3) Д-триггера 31, входящего в состав делителя частоты 7. Таким образом, на управляющем входе тестового синхронного детектора 11 действуют симметричные прямоугольные импульсы напряжения с частотой f₁/n. Выходная цепь логического элемента 35 с открытым выходом периодически (с частотой f₁/n) замыкает на общую шину узел соединения конденсатора 36 и базы транзистора 38. Интервалы времени замкнутого и разомкнутого состояний выходной цепи логического элемента 35 синхронизированы с процессом формирования тестовой (низкочастотной) модуляции выходного сигнала вихретокового преобразователя 3, за счет чего происходит выделение тестовой составляющей выходного сигнала инструментального усилителя 5. Выделенная переменная (тестовая) составляющая сигнала подвергается амплитудному выпрямлению и поступает на базу транзистора 39, работающего в ключевом режиме. Если предлагаемое устройство исправно, то выпрямленный тестовый сигнал открывает ключевой транзистор 39 и на тестовом выходе предлагаемого устройства создается напряжение низкого уровня 0,2...0,3 В (уровень "логического нуля"). Если какой-либо элемент предлагаемого вихретокового измерительного устройства не исправен (обрыв или короткое замыкание), то переменная тестовая составляющая с частотой f₁/n выходного сигнала инструментального усилителя 5 отсутствует и выходной транзисторный ключ в тестовом синхронном детекторе 11 закрыт, что приводит к появлению на тестовом выходе напряжения высокого уровня (единицы вольт), что соответствует уровню "логической единицы".

Работа симметричного мультивибратора 1, усилителя мощности 2, вихретокового преобразователя 3 и сигнального синхронного детектора 4 не отличается от работы аналогичных элементов в устройстве, описанном в статье Дмитриева Ю.С. и др. "Универсальный полупроводниковый преобразователь для различных типов датчиков" в книге трудов международной научно-технической конференции "Методы и средства измерения в системах контроля и управления", Пенза: Информационно-издательский центр Пенз. Гос. Ун-та, 2002, стр.95...97.

Работа инструментального усилителя 5 не отличается от типового варианта, описанного в литературе, например Шило В.Л. "Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре". М: Сов. радио, 1979.

При выполнении делителя частоты 7 по приведенному варианту выходная частота следования импульсов делителя частоты 7 в 32 раза ниже, чем частота следования выходных импульсов симметричного мультивибратора 1 (то есть n=32).

Временная зависимость выходного напряжения делителя частоты (с прямого выхода) показана на фиг.2д.

Принцип действия формирователя импульсов 8 состоит в том, что во время одного полупериода низкочастотного (с частотой f_i/n) тестового сигнала (получаемого от делителя частоты 7) на выход формирователя импульсов 8 проходят высокочастотные (с частотой f_i) импульсы с прямого выхода симметричного мультивибратора 1, а во время второго полупериода тестового сигнала на выход формирователя импульсов 8 проходят импульсы с инверсного выхода симметричного мультивибратора 1 (фиг.2г).

В тестовом синхронном детекторе 11 логический элемент 35 с открытым выходом выполняет роль управляемого ключа, который периодически (с частотой f_i/n) замыкает на общую шину узел соединения конденсатора 36 и базы транзистора 38. Емкость конденсатора 36 выбрана таким образом, чтобы на базе транзистора 38 действовало переменное тестовое напряжение с частотой f₁/n, фиксированное на нулевом уровне, аналогичное показанному на фиг.2д. Транзистор 38 и конденсатор 37 образуют амплитудный выпрямитель. Напряжение на конденсаторе 37 пропорционально амплитуде тестовой (переменной) составляющей выходного сигнала инструментального усилителя 5. Напряжение с конденсатора 37 через делитель напряжения на резисторах 40 и 41 поступает на базу транзистора 39, работающего в ключевом режиме. Когда тестовый сигнал соответствует исправному состоянию вихретокового измерительного устройства, то транзистор 39 открыт и напряжение на его коллекторе не превышает 0,2...0,3 В, то есть имеет низкий уровень (уровень "логического нуля"). Если в предлагаемом устройстве происходит отказ какого-либо элемента (обрыв или короткое замыкание), то нарушается дифференциальность схемы вихретокового измерительного устройства, на входе инструментального усилителя 5 резко возрастает уровень входного дифференциального сигнала и выходные каскады операционных усилителей 25 переходят в насыщение. Результатом этого является исчезновение в выходном напряжении инструментального усилителя 5 переменной (тестирующей) составляющей с частотой f_i/n, что приводит к закрыванию транзистора 39 и на тестовом выходе появляется напряжение высокого уровня (уровень "логической единицы").

В примере реализации предлагаемого устройства (фиг.3) использовались диоды типа КД522, логические элементы, счетчики и D-триггеры серии 155 (К155ЛАЗ, К155ЛН2, К155ИЕ5, К155ТМ2), операционные усилители типа К140УД20 и транзисторы типа КТ315А. Все логические элементы (12, 15, 20, 33, 34, 35), счетчик импульсов 30 и D-триггер 31 питаются от источника постоянного напряжения +U_пит с напряжением +5 В. Операционные усилители 25 питаются от двух разнополярных источников постоянного напряжения ±10 В.

Экспериментальные исследования предлагаемого устройства показали, что по сравнению с устройством аналогичного назначения (прототип) заявляемое устройство имеет меньшие габариты вихретокового преобразователя и соединительного кабеля, имеет более простую схему устройства и позволяет использовать в качестве чувствительного элемента (датчика) не только вихретоковый преобразователь, но и другие электромагнитные, а также резистивные (в том числе и тензорезистивные) чувствительные элементы при сохранении возможности непрерывного тестирования исправности предлагаемого устройства.