Толщиномер изоляции 
ведение в схему устройства дополнительного сумматора и блока нелинейной функции вида y=xe-x и 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]60 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 Дц - фазовый угол, зависящий от расстройки контура L1C2.На выходе фазового детектора 7 выделяется напряжение, пропорциональное разности постоянных составляющих коллекторных токов транзисторов v1 и 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 покрытийИз 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.8.60 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 преобразователяПо 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 контроляВыбираем 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 усилителя1.4.1 Классификация операционных усилителейОперационные 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 входовДифференциальный 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.В неинвертирующем операционном усилителе сигнал можно подавать на любой из двух входных зажимов, однако только неинвертирующий вход имеет высокое синфазное входное сопротивление и малые токи смещения и шумов. Выпускаются неинвертирующие усилители для двух целей создания усилителей с прерыванием для усиления сверхмалых напряжений и варикапно-мостовых операционных усилителей для измерения напряжений, поступающих от источников с очень высоким внутренним сопротивлением. [8, стр.107-108]1.4.3 Предполагаемые примененияОперационные усилители общего применения предназначены для использования в схемах общего назначения. В настоящее время они изготавливаются исключительно по монолитной технологии. Основные характерные особенности этих усилителей - низкая стоимость, малые размеры, широкий диапазон напряжений питания, защищенные вход и выход, малое количество или полное отсутствие дополнительных компонентов, не очень высокая частота единичного усиления и как следствие малая склонность к самовозбуждению, отсутствие "защелкивания" и достаточно хорошие характеристики в стандартном технологическом процессе изготовления монолитных схем.Усилители, которые в некотором отношении превосходят ОУ общего применения, называются специальными. Линия, разделяющая эти две группы, перемещается - то, что было лучше вчера, сегодня является стандартным. Специальные усилители дороже, и довольно часто в выборе между точностью и быстродействием приходится идти на компромисс.Прецизионные операционные усилители характеризуются малыми входными погрешностями. Легко добиться подавления только одного из двух возможных источников погрешности - либо напряжения, либо тока; однако обычно этого бывает достаточно.Электрометрические операционные усилители имеют очень малые токи входного смещения и шумов и высокие входные сопротивления. В большинстве случаев это усилители с ПТ-входом. В точных схемах применяются усилители варикапно-мостовые ОУ.В случаях когда требуются сверхмалые погрешности по напряжению1 и току, используются усилители с прерыванием или динамически подстраиваемые усилители с ПТ-входом.Быстродействующие операционные усилители служат для обработки или генерации быстро изменяющихся аналоговых сигналов. Наличие двух классов применения с различными теоретическими требованиями привело к разделению быстродействующих усилителей на широкополосные усилители и усилители с быстрым установлением.Широкополосные операционные усилители предназначены для обработки быстро изменяющихся непрерывных сигналов (широкополосные усилители напряжения и тока, активные фильтры, генераторы). Мерой их качества служит величина векторной или амплитудной погрешности, а также величина нелинейных искажений в определенной полосе частот. Они отличаются высокими значениями частоты единичного усиления и частоты усиления на полной мощности. В этих усилителях часто используется частотная коррекция. [8, стр.109-111]Таким образом, исходя из всего выше сказанного выбираем ОУ с монолитным техническим исполнением, с входом на биполярных транзисторах, инвертирующей схемой включения, с внутренней частотной коррекцией и балансировкой нуля, общего применения, в связи с их широким распространением, как наиболее недорогие, малые в размерах и удовлетворяющими нас параметрами.В качестве операционного усилителя выходного напряжения с ВТП выберем усилитель КР140УД7 с внутренней коррекцией амлитудно-частотной характеристики, защитой входа и выхода от короткого замыкания и установкой нуля. Со следующими характеристиками: входной ток 0,4 мкА, максимальное входное напряжение 3 В, частота единичного усиления 0,8 МГц, коэффициент усиления напряжения , выходное напряжение 11,5 В. [9, стр.337-339] 2. Расчетная часть2.1 Расчет ВТПБольшинство формул взяты из [10] на исключения приведены ссылки.Рассчитаем радиус возбуждающей катушки. По техническому заданию диметр зоны контроля 20 мм, (2.1)где - диаметр зоны контроля, - диаметр возбуждающей катушки. Подставляя значения в (2.1) получим мм.где rкат - толщина катушки, Lкат - длина катушки, Dкат - диаметр катушки, D - диаметр трубы, h - зазор, T - толщина покрытия, T = (1. .2) мм, d - толщина стенки трубы, d = 1 мм, t - толщина протектора.Каркасы катушек изготавливают из изоляционных материалов (капролон, гетинакс, оргстекло, эбонит и др.) путем токарной обработки. Диаметр проводов обмоток возбуждения от 0.01 до 0.3 мм. [10]Из этого условия выберем диаметр провода возбуждающей катушки dпр равным 0,2 мм.Количество витков в одном слое возбуждающей обмотки определяется по формуле, (2.2)где Lкат - длина катушки, dпр - диаметр провода обмотки.Находим высоту возбуждающей катушки мм. (2.3)В нашем случае толщину катушки r можно выбрать равной длине, то есть мм. (2.4)Подставляя (2.3) в (2.2) находим количество витков в одном слое возбуждающей катушке витков.Исходя из (2.4) находим число слоев в катушке слоев. (2.5) Получаем катушку из пяти слоев, в каждом слое пять витков, т.е. всего витков в возбуждающей обмотке:витков. (2.6)Находим длину и площадь провода соответственно по формуламмм, (2.7) мм2. (2.8)Исходя из полученных геометрических параметров катушки выбираем толщину протектора равной t2 = 0,5 мм.Подставляя полученные значения найдем значение обобщенного зазора по формуле. (2.9)Получаем h = (2. .3) мм.Рассчитаем относительные значения зазоров по формуле:. (2.10)Получаем h = (0.4, 0.5, 0.6).При контроле зазора параметр выбирается >20, то есть выбирают высокую рабочую частоту.Значение обобщенного параметра контроля .Рабочую частоту fраб рассчитаем из формулы для нахождения обобщенного параметра контроля, (2.11)где - обобщенный параметр,Rкат - радиус возбуждающей катушки, м,щ - круговая частота, рад/с,ма = мм0, - относительная магнитная проницаемость, = 1;0 -магнитная постоянная, м0 = 4•10-7 Гн/м. кГц, тогда кГц.В тоже время при граничная частота равна Гц.В зависимости от заданного диапазона температуры Т = 0. .40 єС определим диапазон изменения УЭП. Изменение температуры ДТ = ±20 єС.е = ДТ?у = 20?0,428% = 8,56%,где б - температурный коэффициент удельного сопротивления, для меди он равен б = 4,28?10-3 1/ єС.Ду = у?е = 58?0,856 = 4,9648 МСм/м.Получили диапазон изменения УЭП у±Ду = (58±5) МСм/м, т.е.при Т = 0 єС у = 63?106 См/м,при Т = 20 єС у = 58?106 См/м,при Т = 40 єС у = 53?106 См/м.Ток, протекающий по возбуждающей катушке Imax, А, вычислим по формуле I0 = jSпр, (2.12)где j - плотность тока в медном проводнике, для многослойной катушки плотность тока j= (3. .4) , берем j = 4 А/; Sпр - площадь поперечного сечения провода.I0 = А.Напряженность магнитного поля внутри возбуждающей катушки :, (2.13).Рассчитаем индуктивность L0, Гн, катушек:L0 = , (2.14)где W - число витков катушки, Dкат - ее диаметр, - величина, значения которой даны в таблице [11, стр.248] в зависимости от отношения,Ф (б) = 0,946.L0 = мкГн.Сопротивление катушки R0, Ом,:, (2.15)где - удельная электрическая проводимость основания, МСм/м.Ом.Найдем комплексное сопротивление: Ом, мОм.Определим напряжение холостого хода Uxx, В на ВТП без ОК:
Страницы: 1, 2, 3
|
|
