ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ТОЛЩИНОМЕР

Элекфромагвифный толщиномер
Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для измерения толщины различных покрытий на металлических основах.
Известен Толщиномер (см. описание изобретения к авт. св. N 1796885, кл. G01B 7/06, опубл. в 1993 г.), содержащий генератор, соединенный с ним индуктивный преобразователь, источник опорного напряжения, сумматор, индикатор, синхронизатор, устройство выборки-хранения, компаратор и усилитель.
Данная конструкция толщиномера позволила устранить влияние дрейфа амплитудного значения выходного сигнала усилителя на результаты измерения, однако устранение этого недостатка в известной конструкции не позволило в достаточной степени повысить точность измерений толщиномера, из-за невозможности устранить дрейфы амплитуды генератора, опорного напряжения, смещения компаратора, то есть дрейфа всего измерительного тракта.
Известен Вихретоковый толщиномер см. статью авторов В.А.Сясько и С.В.Илюшина Импульсный вихретоковый толщиномер диэлектрических покрытий. Журнал Дефектоскопия, N4, 1989 г., с. 52-58, рис.3 Приложение 1), содержащий микроконтроллер, индикатор и измерительный преобразователь, включающий программируемый делитель частоты (таймер), одновибратор, логический элемент, пиковый детектор, операционные усилители, ключи, первичный трансформаторный преобразователь, состоящий из излучающей катушки и двух приемных катушек.
Недостатком известного толщиномера является то, что в процессе измерения толщины диэлектрических покрытий возникает необходимость поднимать через определенные интервалы времени измерительный трансформаторный преобразователь над покрытием для обновления внутренних параметров системы.
В качестве прототипа выбран известный Индукционный
интегрирующий толщиномер (см. статью автора Сясько В.А. Индукционный интегрирующий толщиномер. Журнал Дефектоскопия. N 12, 1990 г., с.47-52, Приложение 2). Он содержит микроконтроллер, индикатор и измерительный преобразователь, включающий программируемый делитель частоты, измерительный трансформаторный преобразователь, повторитель, компаратор, логический элемент, ключи и интегратор, включающий резистор и параллельно соединенные конденсатор и операционный усилитель.
Недостатком известного индукционного интегрирующего толщиномера является то, что в процессе измерения толщины покрытий на металлических основах через определенные интервалы времени возникает необходимость поднимать измерительный трансформаторный преобразователь над покрытием для обновления ввнутренних параметров системы, что приводит к ограничению области применения толщиномера.
Кроме того, в случае, когда оператором не обеспечиваются условия высоты подъёма измерительного трансформаторного преобразователя, появляются дополнительные погрешности измерений.
Задача предлагаемого технического решения состоит в создании толщиномера, позволяющего расширить область его применения за счет исключения необходимости периодического подъёма измерительного трансформаторного преобразователя над контролируемБШ покрытием.
Поставленная задача достигается тем, что в электромагнитном толщиномере, содержащем микроконтроллер, соединенный с ним индикатор и измерительный преобразователь, включающий программируемый делитель частоты, входы которого соединены с соответствующими выходами микроконтроллера, повторитель, последоватетельно соединенные компаратор и логический элемент И, выход которого подключен ко входу микроконтроллера, интегратор, состоящий из резистора и параллельно соединенных конденсатора и операционного усилителя, а также измерительный трансформаторный преобразователь, состоящий из излучающей катушки, подключенной одним выводом к соответствующему выводу первого ключа, на второй вывод которого подано напряжение питанЕ1я, и двух  катушек, каждая из которых одним из своих выводов соединена
соответственно со вторам и третьим ключами, другие выводы коTopBix объединены с одним из выводов четвертого ключа, на другой вывод которого подано постоянное напряжение, и подключены к одному из входов повторителя, другой вход которого объединен с его выходом и подключен к одному из выводов резистора интегратора, другой вывод резистора соединен с одним из выводов пятого ключа, второй вывод которого соединен одновременно с конденсатором, операционнЕш усилителем интегратора и с одним из выводов шестого ключа, другой вывод последнего соединен со вторым выводом конденсатора, выходом операционного усилителя и с одним из входов компаратора, вторые входы операционного усилителя и компаратора заземлены, управляющие выводы второго, третьего, четвертого и шестого ключей соединены с соответствующими выходами микроконтроллера, управляющий вывод пятого ключа соединен с выходом программируемого делителя частоты, второй вход логического элемента И соединен с одним из выходов микроконтроллера, в измерительный преобразователь дополнительно введены второй логический элемент И, второй резистор и компенсационный трансформаторный преобразователь, содержащий идентичные измерительному трансформаторному преобразователю излучающую и две приемные катушки, при этом излучающие катушки компенсационного и измерительного трансформаторных преобразователей соединены последовательно-согласно, а приемные катушки компенсационного трансформаторного преобразователя соединены последовательно-встречно соответственно с приемными катушками измерительного трансформаторного преобразователя, другие ВБШОды всех катушек компенсационного трансформаторного преобразователя заземлены, один из выводов второго резистора подключен к точке соединения первого резистора и пятого ключа, управляющий вывод которого соединен также с одним из входов второго логического элемента И, второй вход которого подключен к соответствующему выходу микроконтроллера, а выход второго логического элемента И подключен к управляющему выводу первого ключа, на второй вывод второго резистора подано опорное напряжение.
Новым является введение в измерительный преобразователь электромагнитного толщиномера второго логического элемента И,
второго резистора и компенсационного трансформаторного преобразователя, содержащего идентичные измерительному трансформаторному преобразователю, излучающую и две приемные катушки.
В отличие оФ прототипа, в котором первые два цикла преобразования осуществляются непосредственно на поверхности покрытия, а два последующих цикла - третий и четвертый проводят при поднятом над покрытием измерительном трансформаторном преобразователе, а затем в течении фиксированного времени повторяются только первые два цикла измерения и вычисляется толщина Т, при этом по истечении заданного времени производится обновление кодов, полученных ранее в третьем и четвертом циклах, предлагаемая конструкция электромагнитного толщиномера позволяет осуществлять все четыре цикла преобразования и вычисление толщины Т непрерывно непосредственно на поверхности контролируемого покрытия, исключив необходимость подъема измерительного трансформаторного преобразователя, тем самым обеспечив возможность расширения области применения толщиномера, например, в условиях ограниченного объема.
Кроме того, такая конструкция позволила исключить дополнительные погрешности измерений, которые возможны в прототипе, в случае, если не обеспечивались заданные условия высоты подъема измерительного трансформаторного преобразователя и фиксированного времени для обновления кодов третьего и четвертого циклов преобразования по вине оператора.
Заявляемый электромагнитный толщиномер поясняется чертежами:
на фиг.1 - представлена функциональная схема толщиномера;
на фиг.2 - представлены диаграммы, иллюстрирующие работу толщиномера и таблица состояния ключей (. - замкнутое состояние ключа).
Электромагнитный толщиномер (фиг.1) содержит микроконтроллер 1, индикатор 2 и измерительнЕлй преобразователь 3, включающий измерительный трансформаторный преобразователь 4, состоящий из излучающей катушки 5 и двух приемных катушек 6 и 7, компенсационный трансформаторный преобразователь 4, содержащий идентичные катушкам 5,6 и 7 излучающую катушку 5
и две приемные катушки 6 и Т , программируемый делитель частоты 8, повторитель 9, иитегратор, состоящий из операционного усилителя 10, конденсатора 11 и резистора 12, второй резистор 13, компаратор 14, первый логический элемент И 15, шесть ключей 16,17,18,19,20 и 21, второй логический ческий элемент И 22
Микроконтроллер 1 выполнен, например на микросхеме типа КР1816ВБ51.
Программируемый делитель частоты 8 выполнен, например на микросхеме типа КР580ВИ 53.
Повторитель 9, операционный усилитель 10 и компаратор 14 выполнены, например на микросхемах типа КР544УД1.
Логические элементы И 15 и 22 ВБ полнены, например на микросхемах типа К155ЛИ.
Ключ 16 - электронный и выполнен, например на транзисторе типа КТ818.
Ключи 17-21 - аналоговые и выполнены, например на микросхемах типа КР590КН2.
Микроконтроллер 1 соединен с индикатором 2, другие выходы микроконтроллера подключены ко входам программируемого делителя частоты 8. Компаратор 14 последовательно соединен с первым логическим элементом И 15, выход которого подключен ко входу микроконтроллера 1. Излучающая катушка 5 измерительного трансформаторного преобразователя 4 подключена одним выводом к соответствующему выводу первого ключа 16, на второй
вывод которого подано напряжение питания. Каждая из приемных катушек 6 и 7 измерительного трансформаторного преобразователя 4 одним из своих выводов соединена соответственно со вторым 17 и третьим 18 ключами другие выводы которых объединены с одним из выводов четвертого 19 ключа, на другой вывод которого подано постоянное напряжение, и подключены к одному из входов повторителя 9. Другой вход повторителя 9 объединен с его выходом и подключен к одному из выводов резистора 12, другой вывод которого соединен с одним из выводов пятого 20 ключа. Второй вывод пятого 20 ключа соединен с параллельно соединенными конденсатором 11 и операционным усилителем 10 и с одним из выводов шестого 21 ключа. Другой вывод шестого 21
ключа соединен со вторым выводом конденсатора 11, выходом операционного усилителя 10 и с одним из входов компаратора 14. Вторые входы операционного усилителя 10 и компаратора 14 заземлены. Управляющие выводы второго 17, третьего 18, четвертого 19 и шестого 21 ключей соединены с соответствующими выходами микроконтроллера 1. Управляющий вывод пятого 20 ключа соединен с выходом программируемого делителя частоты 8. Второй вход первого логического элемента И 15 соединен с одним из выходов микроконтроллера 1. Излучающая катушка 5 компенсационного трансформаторного преобразователя 4 соединена последовательно-согласно с излучающей катушкой 5 измерительного трансформаторного преобразователя 4. Приемные катушки 6 и 7 компенсационного трансформаторного преобразователя 4 соединены последовательно-встречно с приемнЕши катушками б и 7 измерительного трансформаторного преобразователя 4. Другие выводы всех катушек 5,6и 7 компенсационного трансформаторного преобразователя 4 заземлены. Один из выводов второго резистора 13 подключен к точке соединения первого резистора 12 и пятого 20 ключа, управляющий вывод которого соединен также с одним из входов второго логического элемента И 22, второй вход которого подключен к соответствующему выходу микроконтроллера 1. Выход второго логического элемента И 22 подключен к управляющему выводу первого 16 ключа. На второй вывод второго резистора 13 подано опорное напряжение.
Электромагнитный толщиномер работает следующим образом.
Работа толщиномера синхронизируется микроконтроллером 1 в соответствии с записанной в память программой функционирования. Алгоритм работы измерительного преобразователя поясняется временной диаграммой и таблицей состояния ключей 16-21 на фиг.2. Работа программируемого делителя частоты 8 синхронизируется сигналами Up(t) с периодом следования . и Контроль , разрешающим работу программируемого делителя частоты 8. При проведении измерения измерительный трансформаторный преобразователь 4 устанавливается на покрытие изделия. Для опре)целения толщины покрытия Т работа измерительного трансформаторного преобразователя 4 строится в четыре цикла. В
первом цикле преобразования в момент to начала преобразования (фиг.2) подается разрешающий сигнал Up(t) на вход логического
элемента И 22 и замыкается ключ 17, коммутирующий выход последовательно-встречно включенных катушек б и 6 на вход повторителя 9. В момент t замыкается ключ 16 и через излучающие катушки 5 и 5 начинает протекать ток i(t) (фиг.2г). В этот же момент замыкается ключ 20 и размыкается ключ 21. На последовательно-встречно включенных катушках б и 6 наводится результирующая ЭДС ei(t) (фиг.2д), обратно пропорциональная
толщине покрЕггия Т, подаваемая через повторитель 9 на вход ингратора. В момент t.2 напряжение на выходе интегратора Uj, пропорционально площади ЭДС ei(t) и площади величин напряжений смещения элементов, входящих в состав измерительного преобразователя 4. При использовании идентичных по характеристикам измерительного трансформаторного преобразователя 4 и компенсационного трансформаторного преобразователя 4, расположенных так, что компенсационный трансформаторный преобразователь 4 удален от покрытия и измерительного трансформаторного преобразователя 4 на расстояние, исключающее их взаимное влияние, площадь ЭДС ei(t) пропорциональна вносимому потокосцеплению
Ygi(T). В момент времени t.2 снимается разрешающий сигнал Up{t),
размыкаются ключи 16 и 17, замыкается ключ 19, на вход логического элемента И 15 подается разрешающий сигнал Uox(t), при
этом на выходе логического элемента И 15 формируется передний фронт временного интервала Uox(t). В этот же момент времени напряжение Ug(t) начинает линейно уменьшаться, достигая нулевого значения в момент времени 1;зг то вызывает срабатывание
компаратора 14, и на выходе логического элемента И 15 формируется задний фронт импульса и (t), длительность которого обратно пропорциональна толщине покрытия Т. После этого снимается разрешающий сигнал ) со входа логического элемента И 15,
размыкаются ключи 19 и 20, замыкается ключ 21. Временной интервал t.2 - tj микроконтроллер 1 квантует импульсами частотой f и подсчитывает код N1  (t3-t2)f, пропорциональный напряжению на выходе интегратора и в момент t.2 и, соответственно, площади ЭДС ei(t) и площади величин напряжений смещения элементов, входящих в состав измерительного трансформаторного
преобразователя 4.
Аналогично во втором цикле преобразования подсчитывается код N2, пропорциональный площади ЭДС е2 (t) и площади величин
напряжений смещения элементов, входящих в состав измерительного трансформаторного преобразователя 4. Отличие заключается в том, что в момент начала второго цикла преобразования, соответствующего моменту to начала первого цикла преобразования
замыкается ключ 18 вместо ключа 17. В момент окончания преобразования код N2 пропорционален площади ЭДС ) и площади
величин напряжений смещения элементов, входящих в состав измерительного трансформаторного преобразователя 4. В свою очередь площадь ЭДС e2(t) пропорциональна вносимому потокосцеплению
Ув2(Т).
В третьем и четвертом циклах преобразования подсчитываются коды N10 И N20, пропорциональные площади величин напряжения смещений элементов, входящих в состав измерительного преобразователя 4. В отличие от первого и второго циклов, в момент, соответствующий t, ключ 16 остается разомкнутЕш, а ключи 17 и
18 замЕокаются в третьем и четвертом циклах, соответственно, и ЭДС на катушках 6 и б , а также 7 и 7 не наводятся.
По окончании четвертого цикла преобразования микроконтроллером 1 вычисляется отношение;
п  (N1 - N10)/(N2 - N20).
Таким образом, в соответствии с выше сказанным, п равно отношению вносимых потокосцеплений  в1()  V в2 (), тем
самым исключается зависимость п от аддитивной и мультипликативной составляющих характеристики преобразования и подавляется влияние магнитных свойств основания на п.
После этого микроконтроллер 1 по предварительно снятой и записанной в память характеристике вЕЛ числяет толщину покрытия Т и выдает результат измерения на цифровой индикатор 2.
Таким образом, предлагаемый электромагнитный толщиномер позволяет расширить область его применения за счет исключения необходимости периодического форматорного преобразователя
АОЗТ
-%.   : .
Ччк АЭТрры
% / :
Сясько в.А.
Булатов А.С.
Елисеева Н.А. Коротеев М.Ю. Сясько в.А. подъёма измерительного транснад контролируемым покрытием.