Толщиномер изоляции (стр. 3 из 8)
Введение в схему устройства дополнительного сумматора и блока нелинейной функции вида y=xe-xи осуществление дополнительного суммирования выходного напряжения блока нелинейной функции с суммой выходных напряжений фазочувствительных детекторов уменьшает погрешность измерения толщины от изменения удельной проводимости основания до величины, не превышающей ± 4%. [6]
Рисунок 6. Вихретоковое устройство для измерения толщины диэлектрических покрытий на немагнитном проводящем основании (5, 6 - фазовращатели)
1.2.5 Устройство для измерения толщины покрытий [7]
Устройство относится к средствам неразрушающего контроля толщины покрытий и может быть использовано в любой отрасли машиностроения.
На рис.7 представлено устройство для измерения толщины покрытий.
Работает она следующим образом.
Выходной сигнал генератора 1, ограниченный по амплитуде усилителем-ограничителем 2, поступает одновременно на ВТП 5 и на один из входов фазового детектора 7.
При настройке устройства преобразователь устанавливают на образец без покрытия, а затем на изделие с покрытием. Установка преобразователя 5 на изделие с покрытием вызывает расстройку фазосдвигающего контура 4 относительно несущей частоты и появление фазового сдвига. Измерение этого фазового сдвига осуществляет фазовый детектор 7, выполненный по схеме дифференциального усилителя (на транзисторах v1; v2) с токопитающим каскадом (на транзисторе v3).
Распределение коллекторного тока транзистора v3 при подаче на него опорного напряжения U1 (t) изменяется под действием подаваемого на транзисторы v1 и v2 напряжения U2 (t), сдвинутого относительно опорного на угол
, где Δφ - фазовый угол, зависящий от расстройки контура L1C2.На выходе фазового детектора 7 выделяется напряжение, пропорциональное разности постоянных составляющих коллекторных токов транзисторов v1и v2 и соответствующее изменению фазового угла контура 4, регистрируемое индикатором 8. Выходное напряжение частотного детектора 3 увеличивается с увеличением частоты фазосдвигающего контура 4 и уменьшается с её убыванием в пределах линейного участка характеристики детектора, которая, в свою очередь, будет линейной в области частот, близких к резонансной частоте фазосдвигающего контура 4.
Использование устройства позволит обеспечить повышение точности и расширить диапазон измерения толщины покрытий. [7]
Рисунок 7. Устройство для измерения толщины покрытий
Из приведенных структурных схем приборов, выбираем схему на рис.3, т.к она лучше всего соответствует заданию, имеет амплитудный способ выделения информации и наиболее простая в исполнении, чем все выше приведенные. Для применения изменим схему, изображенную на рис.3 поменяв местами амплитудный детектор и усилитель. Измененная и принятая схема изображена на рис.8.
Рисунок 8. Структурная схема вихретокового толщиномера ВТ-5Л:
1 - Автогенератор, 2 - абсолютный параметрический накладной ВТП, 3 - усилитель, 4 - амплитудный детектор, 5 - процессорный блок, 6 - блок индикации, 7 - блок питания.
1.3 Выбор первичного преобразователя
По заданию задано разработать толщиномер с параметрическим ВТП, по этому трансформаторный ВТП рассматривать не будем.
В зависимости от расположения ВТП по отношению к ОК их делят на проходные, накладные и комбинированные.
По заданию курсового проекта объектом контроля является стенка медной трубы толщиной 1 мм, покрытая слоем изоляционного покрытия толщиной от 1 до 2 мм, таким образом целесообразно использовать накладной ВТП.
Рисунок 9. Накладные ВТП с круглыми (а), с прямоугольными (б), крестообразными (в) катушками, со взаимноперпендикулярными осями катушек (г); накладной экранный ВТП (д), и накладные ВТП с ферромагнитными сердечниками (е - и)
Накладные ВТП обычно представляют собой несколько катушек, к торцам которых подводится поверхность объекта (рис.9). Катушки таких преобразователей могут быть круглыми коаксиальными, прямоугольными, прямоугольными крестообразными, с взаимно перпендикулярными осями и др. Накладными ВТП контролируют в основном объекты с плоскими поверхностями и объекты сложной формы. Они применяются также, когда требуется обеспечить локальность и высокую чувствительность контроля. Продольные накладные ВТП можно использовать для контроля расслоений изделий с покрытиями или других многослойных изделий. Экранные накладные ВТП можно применять при контроле листов, пластин, лент и других изделий, к которым возможен двусторонний доступ.
Накладные преобразователи выполняют с ферромагнитными сердечниками или без них. Благодаря ферромагнитному сердечнику повышается абсолютная чувствительность преобразователя и уменьшается зона контроля за счет локализации магнитного потока.
Следуя из того, что по заданию диаметр зоны контроля задан - не более 20 мм, можно использовать и с сердечником и без. Но если учесть, что накладной ВТП без сердечника и проще по исполнению, и целесообразнее с экономической точки зрения, то будем использовать накладной преобразователь без сердечника.
По способу соединения катушек (обмоток) различают абсолютные и дифференциальные ВТП.
Абсолютным называют ВТП (рис.10, а), выходной сигнал которого определяется абсолютными значениями параметров ОК в зоне контроля. Дифференциальным ВТП принято называть, по существу, совокупность двух ВТП, обмотки которых соединены таким образом (рис.10, б), что выходной сигнал определяется разностью параметров ОК соответствующих зон контроля. [2, стр.157-161]
Рисунок 10. Абсолютный (а) и дифференциальный (б) параметрический ВТП: 1 - возбуждающие обмотки; 2 - объект контроля
Выбираем абсолютный ВТП, поскольку он проще по исполнению и нужно наматывать одну катушку вместо двух.
Из приведенной выше классификации, ВТП будет представлять собой абсолютный параметрический накладной ВТП для измерения толщины изоляционного покрытия ОК. Виды данного ВТП представлены в графической части.
1.4 Выбор операционного усилителя
1.4.1 Классификация операционных усилителей
Операционные усилители (ОУ) можно характеризовать многими различными способами в зависимости от их схем или потенциальных применений.
Преобладающее большинство операционных усилителей - это устройства с непосредственными связями, осуществляющие прямое усиление сигналов. Тип входных транзисторов оказывает очень резко выраженное влияние на параметры усилителя, что ведет к разделению операционных усилителей с непосредственными связями на два класса - биполярных ОУ и ОУ с полевым транзисторным (ПТ) - входом.
Биполярные операционные усилители с парой биполярных транзисторов на входе обладают хорошей или даже превосходной стабильностью входного напряжения сдвига, но средними или плохими входными токами смещения и входными сопротивлениями. Как результат компромиссов в процессе проектирования получаемая динамическая характеристика часто бывает плохой.
Операционные усилители с ПТ-входом имеют на входе пару полевых транзисторов с
-переходом, которые ценой ухудшения стабильности входного напряжения сдвига обеспечивают превосходные входные токи смещения и входные сопротивления. Независимость входных токов смещения от уровня рабочих токов стоков позволяет улучшать параметры ОУ с ПТ-входом без заметной потери точности. [8, стр.106-107]1.4.2 Типы сигнальных входов
Дифференциальный операционный усилитель - универсальный и наиболее широко применяемый тип ОУ. Оба его входа функционально эквивалентны, единственное очевидное различие между ними - в полярности усиления. Однако за универсальность всегда нужно платить либо увеличением стоимости усилителя, либо ценой затрат на стадии проектирования. Вот почему выпускаются специализированные усилители, имеющие ограниченную область применения из-за наличия у них всего одного входа, но лучшее соотношение функциональных возможностей и стоимости.
У инвертирующего ОУ активно можно использовать только инвертирующий вход, в то время как неинвертирующий вход служит опорной точкой (землей сигнала). Есть три аргумента в пользу инвертирующих ОУ: необходимость создания на их основе схем быстродействующих ОУ с коррекцией подачей сигнала вперед, стабилизированных прерыванием ОУ, и варикапно-мостовых ОУ для измерения сверхмалых токов.