Метод и средство контроля силы натяжения провода с развертывающим частотным преобразованием тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.11, кандидат технических наук Богданов, Николай Григорьевич

• Богданов, Николай Григорьевич
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Богданов, Николай Григорьевич

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Глава 1 Аналитический обзор методов и средств неразрушаю-

щего контроля силы натяжения

1.1 Сравнительный анализ способов и структур построения измерительных преобразователей силы натяжения

1.2 Особенности построения объекта контроля - многопроволочной ионизационной камеры

1.3 Сравнение характеристик устройств формирования возбуждающего сигнала

1.4 Особенности обработки частотных сигналов и представления результатов контроля силы натяжения

Выводы

Глава 2 Разработка способа и структурной схемы устройства контроля силы натяжения с развертывающим частотным преобразованием

2.1 Оценка возможности расширения диапазона контроля силы натяжения

2.2 Моделирование характеристик колебательных систем с линейной разверткой частоты возбуждающего сигнала

2.3 Уточнение модели преобразователя при воздействии импульсов прямоугольной формы

2.4 Разработка способа широкодиапазонного контроля силы натяжения

2.5 Особенности реализации развертывающего способа контроля силы натяжения

Выводы

Глава 3 Анализ и оптимизация характеристик устройства контроля силы натяжения

3.1 Оценка точности автоматической компенсации влияния активного сопротивления провода

3.2 Оценка точности цифрового измерения резонансной частоты струнных преобразователей

3.3 Особенности линеаризации характеристики преобразования цифровых приборов контроля силы натяжения

3.4 Методика градуировки частотных преобразователей силы натяжения проводов малого диаметра

Выводы

Глава 4 Расширение функциональных возможностей приборов контроля с развертывающим частотным преобразованием

4.1 Особенности контроля напряженности магнитного поля

4.2 Совершенствование многоканальной системы контроля параметров окружающей среды

4.3 Применение развертывающего частотного преобразования для контроля силы натяжения обмоточных проводов

Выводы

Заключение

Список использованных источников

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод и средство контроля силы натяжения провода с развертывающим частотным преобразованием»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Цифровые приборы с частотными датчиками механических величин используют для контроля давления, линейных размеров и механических напряжений в машиностроении, при оценке напряженности магнитных полей, а также при исследованиях динамических параметров в области виброметрии. Перспективность широкого применения таких устройств обусловлена простотой высокоточного измерения и обработки частотных сигналов, удобством изменения масштаба преобразования, отсутствием искажений при коммутации и передаче частотных сигналов по каналам связи, высокой помехоустойчивостью и возможностью непосредственного ввода получаемой информации в ЭВМ.

Общий принцип частотного преобразования неэлектрических величин заключается в использовании автоколебательной системы с частотно-зависимой от контролируемого параметра цепью. Для контроля силы натяжения применяют струнные преобразователи, устанавливаемые в цепях обратной связи автогенераторов, частота которых определяется силой натяжения и физико-механическими параметрами струнных датчиков. При этом наблюдается явное несоответствие между высокой точностью измерения частотных сигналов (погрешность цифровых частотомеров не превышает и низкой стабильностью и нелинейностью модуляционной характеристики струнных преобразователей силы натяжения в частоту, снижающих, в итоге, качество контролирующих приборов и систем.

Проблеме совершенствования струнных генераторов посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных ученых, основное внимание в которых уделено вопросам линеаризации характеристики преобразования в узком диапазоне частот, когда девиация частоты А/ не превышает ±10 % от средней частоты колеба-

ний. При этом датчики с гармоническим выходным сигналом, работающие в диапазоне частот от 0,01 до 10 кГц, характеризуются погрешностью преобразования не менее 1 - 2 % и не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к современным автоматизированным системам контроля и управления.

Сложность построения высокоточных аналоговых струнных преобразователей обусловлена как нелинейной зависимостью частоты колебаний /х от силы натяжения приводящей к нелинейности коэффициента преобразования КПР-

так и влиянием на значение /х реактивных параметров схемы генератора и нестабильности применяемых радиокомпонентов.

Вследствие этого известные способы совершенствования генераторных датчиков, основанные на компенсации активного сопротивления струнных преобразователей и стабилизации характеристик активных элементов, не позволяют повысить точность контроля силы натяжения в широком динамическом диапазоне.

Одним из возможных путей улучшения точности и надежности генераторных датчиков является применение в качестве усилительных элементов цифровых КМОП микросхем, характеризующихся малым энергопотреблением и широким диапазоном питающего напряжения. Это позволяет упростить схемотехнику, облегчить процессы синхронизации, коммутации и опроса датчиков в многоканальных системах контроля и обеспечить непосредственный ввод информации в ЭВМ для последующей обработки данных.

Проблема расширения рабочего диапазона и повышения достоверности контроля силы натяжения требует разработки новых способов преобразования и рассмотрения комплекса вопросов, свя-

занных с формированием частотно-модулированного возбуждающего сигнала стабильной амплитуды и формы, линеаризацией характеристики преобразования, автоматической компенсацией активного сопротивления объекта контроля, выделением, цифровым измерением и индикацией контролируемого параметра, а также автоматизацией процесса контроля в условиях производства. Кроме того, в процессе совершенствования датчиков силы натяжения требуется учитывать их взаимосвязь с другими функциональными узлами, обеспечивая оптимизацию параметров и улучшение свойств приборов и систем контроля в целом.

Целью диссертационной работы является разработка метода преобразования и структурных схем построения высокоточных цифровых приборов контроля силы натяжения с широким динамическим диапазоном и автоматической компенсацией активного сопротивления провода, реализуемых на цифровых микросхемах.

К основным задачам исследований относятся:

- разработка способа контроля силы натяжения провода с астатическим уравновешиванием его активного сопротивления;

- разработка структурной схемы широкодиапазонного цифрового прибора с развертывающим частотным преобразованием для автоматизированного контроля силы натяжения провода;

- моделирование и анализ динамических характеристик струнного преобразователя силы натяжения при развертке частоты импульсов возбуждающего сигнала;

- оценка динамических погрешностей преобразователей при возбуждающем воздействии сигнала с линейно-изменяющейся частотой;

- разработка схемотехники основных функциональных узлов преобразователей силы натяжения в частоту на микромощных усилителях и цифровых КМОП-элементах;

- анализ и оптимизация параметров цифровых и аналоговых функциональных узлов по точности и энергопотреблению;

- выработка рекомендаций по использованию развертывающих частотных преобразователей в многоканальных контролирующих приборах и системах.

Методы исследований. При решении задач использовались методы математического и схемотехнического моделирования с применением ПЭВМ, теория устойчивости, теория функций комплексного переменного, теория погрешности, спектральное разложение сигналов и преобразование Лапласа.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- обоснована перспективность применения развертки частоты возбуждающего сигнала импульсцой формы для расширения рабочего диапазона датчиков контроля силы натяжения провода;

- доказана целесообразность применения астатического уравновешивания для автоматической компенсации влияния активного сопротивления провода на результаты контроля силы натяжения;

- проведена оценка динамических погрешностей струнных преобразователей, обусловленных разверткой частоты возбуждающего сигнала, и показана возможность их компенсации при двухтактном способе контроля с изменением наклона развертки;

- предложен новый способ преобразования силы натяжения в частоту, обеспечивающий высокую достоверность контроля в широком динамическом диапазоне;

- разработана и исследована новая структура построения цифрового прибора для контроля силы натяжения провода, обеспечивающая высокую точность преобразования;

- предложены и исследованы численным методом на ЭВМ новые модели струнного преобразователя, учитывающие влияние спектра частот возбуждающего сигнала импульсной формы;

- показана возможность повышения точности цифрового измерения выходной частоты струнных преобразователей в окрестности резонанса, обеспечиваемая за счет изменения скорости развертки частоты возбуждающего сигнала, удвоения частоты счетных импульсов и применения регулируемой задержки цикла измерения;

- разработаны и оптимизированы по параметрам "точность — быстродействие — энергопотребление" схемы основных функциональных узлов приборов частотного контроля силы натяжения, которые могут быть использованы в различных автоматизированных системах управления, обеспечивающих высокую скорость и избирательность приема информации от измерительных преобразователей.

Практическая ценность работы заключается в том, что на основе проведенных исследований разработаны и внедрены цифровой прибор контроля силы натяжения вольфрамовых проводов микронного диаметра, используемый в технологическом процессе изготовления датчиков рентгеновского излучения, и цифровой веберметр, применяемый для контроля напряженности магнитного поля; разработаны принципиальные схемы высокостабильных и универсальных функциональных узлов частотных датчиков силы натяжения, реализованные на микромощных операционных усилителях и КМОП логических элементах, характеризующиеся минимальным энергопотреблением; показана целесообразность применения разработанных устройств с разверткой частоты возбуждающего сигнала в многоканальных приборах и системах автоматизированного контроля; предложена методика градуировки устройств широкодиапазонного контроля силы натяжения проводов малого диаметра.

Реализация и внедрение результатов исследований.

Результаты диссертационной работы внедрены на производственном объединении "Научприбор" (г. Орел), АО "Протон" (г. Орел) и использованы в учебном процессе.

Апробация и публикации результатов работы.

Основное содержание диссертационных исследований изложено в докладах на 6-й Всероссийской научно-технической конференции "Современное телевидение" (Москва, 1997 г.), на международной научно-технической конференции "Нейронные, реляторные и непрерывнологические сети и модели (Ульяновск, 1998) и на 10-й научно-технической конференции "Научно-технические проблемы создания и совершенствования единой автоматизированной системы связи РФ" (Санкт-Петербург, 1998). По результатам работы опубликовано 9 статей в периодической печати и получено решение о выдаче патента на способ и устройство контроля силы натяжения.

На защиту выносятся следующие положения:

1) способ контроля силы натяжения провода, обеспечивающий расширение в 10 и более раз диапазона контроля за счет формирования возбуждающих импульсов тока с линейной разверткой частоты, подаваемых на магнитоэлектрический преобразователь, и выделения резонансной частоты вынужденных колебаний провода;

2) структурная схема цифрового прибора контроля силы натяжения с автоматической компенсацией активного сопротивления провода и линеаризованной характеристикой преобразования, обеспечиваемой посредством измерения средней частоты колебаний в полосе пропускания струнного преобразователя;

3) методика повышения точности цифрового измерения резонансной частоты преобразователей силы натяжения провода, заключающаяся в дискретном изменении скорости развертки частоты возбуждающего сигнала в полосе пропускания, удвоении частоты выходных колебаний преобразователя и задержке начала цикла измерения обратно пропорционально резонансной частоте.

Заключение диссертации по теме «Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей», Богданов, Николай Григорьевич

Основные результаты, полученные в диссертационной работе, можно сформулировать следующим образом.

1. Расширение рабочего диапазона приборов контроля силы натяжения проводов более, чем на порядок, по сравнению с известными струнными преобразователями механических величин достигается за счет применения предложенного способа, основанного на развертке частоты возбуждающего сигнала и цифровом измерении резонансной частоты с астатическим уравновешиванием активного сопротивления провода.

2. Повышение разрешающей способности и быстродействия приборов контроля с развертывающим частотным преобразованием обеспечивается дискретным изменением скорости развертки в полосе пропускания струнного преобразователя и удвоением частоты вынужденных колебаний.

3. Увеличение достоверности контроля силы натяжения вы-сокоомных проводов малого диаметра достигается применением астатического уравновешивания активного сопротивления, реализуемого путем включения в цепь обратной связи интегрирующего звена с постоянной времени, превышающей период частоты резонансных колебаний.

4. Использование контролируемого провода в качестве упругого элемента магнитоэлектрического преобразователя позволяет исключить влияние механических составляющих погрешности на точность контроля силы натяжения.

5. Компенсация динамических погрешностей преобразования в приборах с разверткой частоты возбуждающего сигнала достигается двухтактным измерением частоты резонансных колебаний с изменением направления развертки и усреднением результатов.

6. Использование в качестве возбуждающего сигнала прямоугольных импульсов тока позволяет исключить (ослабить) влияние выходного сопротивления формирователя возбуждающего сигнала на добротность избирательных систем, и тем самым повысить чувствительность приборов контроля силы натяжения.

7. Расширение диапазона контроля с линеаризацией функции преобразования и представлением результатов измерений в размерности контролируемой величины достигается за счет цифровой аппроксимации характеристики преобразования, реализуемой на перепрограммируемых цифровых запоминающих устройствах при минимальных аппаратурных затратах.

8. Применение предложенной методики градуировки широкодиапазонных приборов контроля позволяет улучшить метрологические характеристики контролирующих устройств и обеспечить высокую достоверность и точность контроля силы натяжения проводов малого диаметра.

9. Расширение функциональных возможностей и областей применения приборов контроля с развертывающим частотным преобразованием обеспечивается при их построении по предложенной универсальной структурной схеме.

10. Минимизация аппаратурных затрат обеспечивается при реализации устройств на современных КМОП логических интегральных микросхемах и микромощной элементной базе.

11. Основные теоретические положения диссертации практически подтверждены разработкой и использованием в производственных условиях приборов контроля силы натяжения и напряженности магнитного поля.

Дальнейшие исследования в области создания высокоточных приборов контроля с развертывающим частотным преобразованием целесообразно направить на совершенствование методов структурного построения преобразователей с малым энергопотреблением, а также применение автономного питания, что позволит расширить универсальность применения и повысить технико-эксплуатационные характеристики приборов контроля силы натяжения.

На основании изложенного можно считать, что основная цель диссертации достигнута и поставленные задачи решены.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Богданов, Николай Григорьевич, 1998 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ источников

1. Справочник по средствам автоматики./Под ред. В.Э. Низэ и И.В. Антика.-М.: Энергоатомиздат, 1983.- 504 с.

2. Левшина B.C., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин: (Измерительные преобразователи). Учеб. пособие для вузов.- Л.: Энергоатомиздат, 1983.- 320 с.

3. Электрические измерения неэлектрических величин./Под ред. П.В. Новицкого.- Л.: Энергия, 1975 - 576 с.

4. Глаговский Б.А., Пивен И.Д. Электротензометры сопротивления.- Л.: Энергия, 1972.- 86 с.

5. Туричин A.M., Новицкий П.В. Проволочные преобразователи и их техническое применение.- Л.: Госэнергоиздат, 1957.171 с.

6. Horn Klaus. Prinzipien von Sensoren zur Kraft-und-Masse-Bestimmung./NTG - Fachberichtung, 1982, № 79. C. 153-158.

7. Волчок Л.Я. Методы измерения в двигателях внутреннего сгорания.- Л.: Машгиз, 1955.- 272 с.

8. Новицкий П.В., Кнорринг В.Г., Гутников B.C. Цифровые приборы с частотными датчиками.- Л.: Энергия, 1970.- 424 с.

9. Нуберт Г.П. Измерительные преобразователи неэлектрических величин.- Л.: Энергия, 1970.- 360 с.

10. Сэки Масахуру. Измеритель напряжений проволоки. Патент № 62-21854, Япония, МКП G01L 5/10. Опубл. 8.08.88 г.

11. Simosen Jens Kristian. Verfahren und Vorrichtung zum Messen einer Kraft. Заявка 3505165, ФРГ, МКИ GO IL 1/10. Опубл. 21.08.86 г.

12. Delatore Leroy. Non-guartz resonating transduser. Патент 91/17416 междунар. РСТ, МПК G01L 7/04. Опубл. 14.11.91 г.

13. Коновалов И.К., Хейфиц В.З., Калинин В.В. Датчик силы.

А. с. № 1401294, СССР, МПК G01L 1/10. Опубл. в БИ, 1988, № 21.

14. Yamahara Masami. Device for measuring force. Патент 4614245, США, МКИ G01G 3/14. Опубл. 30.09.86 г.

15. Приборы и системы для измерения вибрации, шума и удара: Справочник. Кн.1./ Под ред. В.В. Клюева.- М.: Машиностроение, 1978 - 448 с.

16. Flücriger Hans-Ulrich. Kraftmessanordnung mit liner schwimgenden saite. Патент 661122, Швейцария, МКИ G01L 1/10. Опубл. 30.06.87 г.

17. Komoto Akira. Vibration tipe forse detektor. Патент 4587853, США, МКП G01L 1/10. Опубл. 13.05.86 г.

18. Справочник по радиоизмерительным приборам./Под ред. Ю.С. Гаврилова - М.: Энергия, 1976.- 624 с.

19. Ананян М.А. Генераторы функций в технике связи.- М.: Связь, 1976.- 56 с.

20. Кнорринг В.Г. Струнные генераторы на транзисторах для частотно-цифровых приборов: Труды ЛПИ, 1968, №294.

21. Богданов Н.Г., Иванов Б.Р. Особенности применения функциональных преобразователей при контроле силы натяжения проводов малого диаметра.//Модели физических и технических объектов и процессов: Труды международной научно-технической конференции "Нейронные, реляторные и непрерывнологические сети и модели", Том 3./ Под ред. Л.И. Волгина.- Ульяновск: УлГТУ, 1998. С. 81 - 83.

22. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы.- М.: Высш. шк., 1983.- 536 с.

23. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники./ Пер. с англ.- М.: Мир, 1993.- 371 с.

24. Проектирование микропроцессорных измерительных приборов и систем./Под ред. В.Д. Циделко.-К: Техника, 1989.-215 с.

25. Иванов Б.Р. Микромощные электронные измерительные устройства.- М.: Энергоатомиздат, 1993.- 320 с.

26. Смолов В.Б. Функциональные преобразователи информации.- Л. : Энергоиздат, 1981.- 248 с.

27. Агейкин Д.И., Костина E.H., Кузнецова H.H. Датчики контроля и регулирования.- М.: Машиностроение, 1965.- 234 с.

28. Шило B.JI. Популярные цифровые КМОП микросхемы. Справочник.-М.: Ягуар, 1996.- 64 с.

29. Алексеенков А.Е., Богданов Н.Г. Применение нелинейного преобразования для контроля частотных модуляторов.//Модели физических и технических объектов и процессов: Труды международной научно-технической конференции "Нейронные, реляторные и непрерывнологические сети и модели", Том 3./ Под ред. Л.И. Волгина.- Ульяновск: УлГТУ, 1998. С. 84 - 85.

30. Островский Л.А. Основы общей теории электроизмерительных устройств.- М.: Энергия, 1965.- 378 с.

31. Арш Э.И. Автогенераторные измерения.-М.: Энергия, 1976.-136 с.

32. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы.-М.: Сов. радио, 1971.- 672 с.

33. Фадеева В.Н., Терентьев Н.М. Таблицы значений интеграла вероятностей от комплексного аргумента.- М.: Гостехиздат, 1954.- 72 с.

34. Богданов Н.Г. Способ контроля силы натяжения провода./ Сборник научных трудов ученых Орловской области. Выпуск 4. Том 1.- Орел: ОрелГТУ, 1998. С. 468 - 473.

35. Стретт Дж. (лорд Релей). Теория звука. Т.1.- М.: Гос. изд-во техн.-теор. лит., 1955.- 158 с.

36. Давиденков H.H. Струнный метод измерения деформаций.- М.: ГТТИ, 1933.- 96 с.

37. Dickson A., Murden W. Vibrating wire high-Q resonator. Electronics, 1953, Vol. 26, № 5.

38. Морз Ф. Колебания и звук.- M.: Гос. изд-во техн.-теор. лит., 1959.- 124 с.

39. Богданов Н.Г. Экспресс-контроль силы натяжения провода.// Заводская лаборатория, 1998, № 11. С. 35-39.

40. Суднищиков B.C. Основы теории передачи и устройства преобразования сигналов. 1 часть.- Орел: ОВВКУС, 1989.- 268 с.

41. Эллиот JL, Уилкнис. Физика.- М.: Наука, 1975.- 736 с.

42. Богданов Н.Г., Иванов Б.Р. Способ контроля силы натяжения провода и устройство для его осуществления. Решение на выдачу патента по заявке на изобретение № 98111798 от 24.09.1998 г.

43. Макаров И.М., Менский Б.М. Линейные автоматические системы (элементы теории, методы расчета и справочный материал). - М.: Машиностроение, 1983 - 464 с.

44. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования.- М.: Наука, 1972.- 767 с.

45. Захаров В.К. Электронные элементы автоматики.- М.: Энергия, 1974.-352 с.

46. Орнатский П.П. Автоматические измерения и приборы.-К.: Вища школа, 1976.- 552 с.

47. Полупроводниковые запоминающие устройства и их применение/Под ред. А.Ю. Горюнова.- М.: Радио и связь, 1991.- 344 с.

48. Алексеенков А.Е., Богданов Н.Г. Способ контроля частотных модуляторов.// Труды X научно-технической конференции "Научно-технические проблемы создания и совершенствования единой автоматизированной системы связи РФ".- С.-П.: СПВВИУС, 1998.-С. 42.

49. Богданов Н.Г. Особенности применения функциональных преобразователей для контроля частотных модуляторов.// Труды X

научно-технической конференции "Научно-технические проблемы создания и совершенствования единой автоматизированной системы связи РФ".- С.-П.: СПВВИУС, 1998.- С. 47-48.

50. Орнатский П.П. Теоретические основы информационной измерительной техники.- К.: Вища школа, 1986.- 432 с.

51. Блинова Л.П., Колесников А.Е., Ланганс Л.Б. Акустические измерения.-М.: Изд. стандартов, 1971.-272 с.

52. Тихомиров В.В. Биотелеметрические системы. - М.: Наука, 1984.-233 с.

53. Электрические измерения: Средства и методы измерений./ Под ред. Е.Г. Шрамкова.- М.: Высш. школа, 1972.- 520 с.

54. Горбатюк В.Ф. Струнный генератор как избирательная ЯЬС-система с обратной связью.// Избирательные системы с обратной связью: Межвузовский тематический научный сборник. Вып. IV.-Таганрог: ТРТИ, 1978.-С. 164-168.

55. Богданов Н.Г. Функциональный преобразователь для контроля напряженности магнитного поля.//Модели физических и технических объектов и процессов: Труды международной научно-технической конференции "Нейронные, реляторные и непрерывно-логические сети и модели", Том 3./ Под ред. Л.И. Волгина.- Ульяновск: УлГТУ, 1998.- С. 79 - 80.

56. Цапенко М.П. Измерительно-информационные системы: Структуры и алгоритмы.- М.: Энергоатомиздат, 1985.- 440 с.

57. Микропроцессорные автоматические системы регулирования./Под ред. В.В. Солодовникова.-М.: Высш. школа, 1991.-255 с.

58. Гольденберг Л.М., Матюшкин Б.Д., Поляк М.Н. Цифровая обработка сигналов.- М.: Радио и связь, 1990.- 256 с.

59. Браславский Д.А., Петров В.В. Точность измерительных устройств.- М.: Машиностроение, 1986.- 312 с.

60. Богданов Н.Г. Автоматизированная система контроля и

наблюдения за техническими процессами.// Труды X научно-технической конференции "Научно-технические проблемы создания и совершенствования единой автоматизированной системы связи РФ".- С.-П.: СПВВИУС, 1998.- с. 55-56.

61. Адаптивные телеизмерительные системы./ Под ред. A.B. Фремке.- Л.: Энергоиздат, 1991.- 248 с.

62. Богданов Н.Г., Орлик C.B., Тележко А.Л. Анализ функции неопределенности многочастотного сигнала при многоканальной модуляции.//6-я научно-техническая конференция "Современное телевидение". Тезисы докладов. - М.: НТО РЭС, IEEE, 1997.- С. 59.

63. Справочник конструктора РЭА: общие принципы конструирования./ Под ред. Р.Г.Варламова.- М.: Сов. радио, 1986.- 480 с.

64. Вениаминов В.Н., Лебедев О.Н., Мирошниченко А.И. Микросхемы и их применение: Справ, пособие.- М.: Радио и связь, 1989.- 240 с.

65. Лавриненко В.Ю. Справочник по полупроводниковым приборам.- К.: Техшка, 1984.- 424 с.

66. Терещук P.M., Терещук K.M., Седов С.А. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства: Справ, радиолюбителя.-К.: Наук, думка, 1988,- 800 с.

67. Романов Г.Н., Шевелев A.B., Ревин В.В., Киселев И.Н. Цифровые силоизмерительные устройства для контроля натяжения нитевидных материалов.// Измерительная техника, 1989, № 7.-С. 35.

68. Пилипко Д.Д., Романюк В.Ф., Смирнов E.H. Измерение добротности и перестройки частоты колебательных систем.// Приборы и техника эксперимента, 1983, № 5.-С. 150-151.

69. Межгосударственный стандарт. ГОСТ 2.105-95 ЕСКД -Общие требования к текстовым документам.

ОПИСАНИЕ СТРУКТУРНОЙ И ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМ ЦИФРОВОГО УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ СИЛЫ НАТЯЖЕНИЯ ПРОВОДА

Предназначено для допускового контроля натяжения тонкого (диаметром 10 - 12 мкм) немагнитного провода из вольфрамо-рениевого сплава в диапазоне = (0,1 - 0,3) Н, имеющего длину I = 50 мм. Результат контроля представляется в цифровой форме

N = Кп

где - коэффициент пропорциональности, зависящий от диаметра, массы и длины провода, а также от его собственной жесткости.

Для возбуждения механических колебаний контролируемый провод необходимо установить в зазоре между полюсами магнита и подать на него ток возбуждения импульсной или синусоидальной формы. Частота возбуждающего тока меняется по пилообразному закону в широком диапазоне (примерно от 0,3 до 3 кГц). При приближении частоты возбуждающих импульсов к резонансной частоте механических колебаний эквивалентное сопротивление провода возрастает (на единицы Ом). Это приводит к увеличению падения напряжения на контролируемом проводе в окрестности резонансной частоты, которое выделяется путем сравнения с пороговым уровнем. Результат контроля получается посредством измерения частоты импульсов, превышающих по амплитуде пороговый уровень.

В структурную схему устройства, показанную на рисунке П.1, входят генератор развертки ГР, управляемый генератор импульсов УГИ, парафазный каскад ПК, контролируемый провод с активным

сопротивлением ЛА, образцовый резистор с сопротивлением для компенсации активного сопротивления провода ЯА, интегратор Инт, усилитель разностный РУ, компаратор СУ, блок задержки БЗ, таймер, счетчик СИ, дешифратор Дш и цифровой индикатор ЦИ.

Рисунок П. 1 - Структурная схема устройства

Генератор развертки формирует пилообразное напряжение £/Р с амплитудой около 2 В и периодом в 1 с, которое изменяет частоту прямоугольных импульсов, имеющих скважность, равную двум, на выходе управляемого генератора УГИ. С помощью парафазного каскада ПК, имеющего прямой и инвертирующий выходы, на сопротивлении контролируемого провода ЯА и сопротивлении образцового резистора формируются противофазные импульсы. При равенстве сопротивлений = ^а и одинаковом токе, протекающем через эти резисторы, среднее падение напряжения на выходах парафазного каскада будет равно половине напряжения питания С/пит> так как контролируемый провод подключен между выходом ПК и клеммой С/пит (рисунок П.1).

Реально вследствие технологического разброса по диаметру активное сопротивление /?А контролируемого провода диаметром 10-12 мкм при длине I = 50 мм изменяется от 80 до 120 Ом. Для

исключения влияния RA на результат контроля применена астатическая компенсация с помощью интегратора Инт, которым изменяется амплитуда импульсов тока, подаваемого на контролируемый провод, для обеспечения равенства падения напряжений на сопротивлениях Ra и Я0, т.е. Ij$Ra = RqIo. При выборе постоянной времени интегрирования значительно больше частоты импульсов УГИ обеспечивается автоматическая высокоточная стабилизация среднего значения напряжения на контролируемом проводе независимо от разброса его активного сопротивления RA.

При прямоугольной форме импульсов возбуждающего тока, протекающих через контролируемый провод и компенсирующий резистор, полусумма выходных напряжений ПК остается практически постоянной и равной (7Пит/2. По мере приближения частоты импульсов возбуждающего тока к резонансной частоте механических колебаний контролируемого провода начинают проявляться его фильтрующие свойства, т.е. форма напряжения на контролируемом проводе становится синусоидальной. Данное свойство обусловлено тем, что в окрестности частоты механического резонанса к активному сопротивлению RA добавляется эквивалентное сопротивление LC колебательного контура = (0,3 - 1) Ом, и при амплитуде возбуждающего тока /в = 10 мА дополнительное повышение амплитуды падения напряжения на контролируемом проводе вблизи резонансной частоты составляет AU = Rjj/b = (3 - 10) мВ.

В структурной схеме устройства (рисунок П.1) для усиления напряжения АU применен разностный усилитель РУ, на выходе которого в окрестности резонансной частоты /Р формируется синусоидальный сигнал с размахом амплитуды 0,5 - 1 В. При превышении этим сигналом порогового напряжения С/пор с помощью сравнивающего устройства формируется последовательность импульсов, частота следования которых близка к резонансной/Р.

Для цифрового измерения частоты импульсов применена схема частотомера на основе счетчика импульсов СИ, дешифратора Дш и цифрового индикатора ЦИ, причем для формирования длительности такта измерения частоты 7изм применен таймер на ждущем мультивибраторе ЖМ, управляемый блоком задержки БЗ. Данный блок задержки запускает ЖМ только после прохождения первых 16 импульсов с выхода СУ, чем устраняется возможная ошибка устройства, обусловленная нестабильностью амплитуды импульсов, сравнимых с напряжением £/пор- Кроме этого, за счет задержки исключается измерение частоты, далекой от резонансной /Р. Это положение можно пояснить следующим образом.

В процессе развертки частоты импульсов по мере приближения к резонансной частоте колебаний контролируемого провода нарастает амплитуда сигнала на выходе разностного усилителя, которая становится выше заданного порога С/пор несколько раньше частоты резонанса, особенно при малом натяжении контролируемого провода. Поэтому, если формировать начало такта измерения частоты по первому выходному импульсу СУ, то весь цикл цифрового измерения частоты закончится раньше, чем наступят резонансные колебания провода. Применение блока БЗ позволяет приблизить такт измерения частоты непосредственно в окрестности механического резонанса контролируемого провода и тем самым повысить точность контроля силы натяжения. Кроме того, за счет введения дополнительной задержки удается улучшить линейность коэффициента преобразования устройства и обеспечить равенство цифровых показаний контролируемой силе натяжения (0,2 - 0,25) Н.

Принципиальная схема устройства приведена на рисунке П.2.

Устройство реализовано на 11 микросхемах и двух светодиодных индикаторах, причем питается от однополярного источника питания с напряжением 5 В и током потребления около 100 мА.

Генератор развертки собран на триггерах Шмитта Е) 1Л, и 1.2 и транзисторах УТ5 - УТ7. На УТ1 собран источник тока, обеспечивающий линейный заряд конденсатора С1, на котором формируется пилообразное напряжение, а УТ6 выполняет функцию ключа, через который С1 разряжается в конце каждого цикла развертки. С помощью резисторов положительной обратной связи Я1, ЯЮ задается амплитуда пилообразного сигнала на емкости С1, примерно равная иС1 = (2,5 - 3) В. На транзисторе УТ7 и резисторе Я25 собран преобразователь пилообразного напряжения в ток, которым изменяется скорость разряда времязадающей емкости СЗ генератора импульсов в процессе развертки его частоты. В генераторе импульсов применены элементы 02.1, Э2.2, УТЗ и триггер ЭЗЛ, причем на транзисторе УТ1 собран усилитель тока для быстрого заряда времязадающей емкости СЗ, а триггер БЗЛ необходим для получения скважности импульсов, равной двум, независимо от частоты. В парафазном каскаде применен повторитель напряжения на транзисторе УТЗ, непосредственно парафазный каскад на транзисторе УТ2, и регулирующий транзистор УТ4. Функцию образцового сопротивления Яо выполняет резистор ^18 = 120 Ом, а на резисторах Я5, Я12 и Я6, Я13 собраны два полусумматора. Контролируемый провод подключается к клеммам ЩУП между коллектором УТ2 и цепью питания 5 В, причем при контроле силы натяжения провода диаметром 10 и 11 мкм между коллектором транзистора УТ2 и цепью питания 5 В включается шунт ЯЗ1 = 876 Ом.

Интегратор собран на усилителе неинвертирующий вход которого смещен на уровень £/пит/2 с помощью резистивного делителя Я7, 7?8. На выходе интегратора установлен повторитель напряжения на транзисторе УТ8, служащий для согласования с малым входным сопротивлением регулирующего транзистора УТ4. В процессе работы через транзистор УТ2 проходят импульсы возбуждаю-

щего тока с амплитудой /в = (10 - 15) мА, задаваемой резистором Я18 и делителем Я4, Л11. При этом на эмиттере и коллекторе УТ2 формируются противофазные прямоугольные импульсы с амплитудой около (1,5 — 2) В. Полусумма напряжений, снимаемых с эмиттера и коллектора УТ2, примерно равна половине напряжения питания С/пит/2. При отклонении этой полусуммы от значения С/Пит/2 на выходе интегратора Б4 в диапазоне от 1,5 до 3,5 В, соответственно, изменяется амплитуда импульсов напряжения на коллекторе УТ2. В процессе настройки потенциометром Я22 и УСТ.О устанавливается равенство напряжений смещения усилителей Б4 и т.е. обеспечивается минимальная амплитуда импульсов (при отсутствии резонанса) на выходе разностного усилителя Б5.

Функцию сравнивающего устройства выполняет триггер Шмитта Б 1.3, имеющий соответственно верхний и нижний пороги срабатывания на уровне 2,7 В и 2,3 В (при С/пит = 5 В). Для обеспечения нормальной работы потенциометром 1121 и УСТ.£/пор постоянное напряжение на выходе D4 устанавливается примерно равным (2,0 - 2,2) В, т.е. ниже минимального уровня срабатывания Б 1.3. В этом случае прямоугольные импульсы на выходе Б1.3 будут формироваться только в том случае, если амплитуда выходного сигнала Б5 вблизи резонансной частоты колебаний контролируемого провода превышает (0,5 - 0,6) В.

Функцию блока задержки выполняет счетчик D6, который суммирует первые 15 импульсов, поступающих от Б 1.3, а при его переполнении 16-м импульсом стробируется триггер Б3.2, который совместно с элементами Dl.4, 7?28 - ЯЗО и С5 выполняет функцию таймера (ждущего мультивибратора). Время измерения частоты Тизм = С5(^28 + Я29 + Я30) изменяется посредством закорачивания резистора 7?28 при диаметре 10 и 11 мкм, а при диаметре провода в 12 мкм устанавливается номинальное значение Тти.

По окончании интервала измерения частоты Гизм срабатывает триггер Шмитта D1.4, выходным импульсом которого стробируется блок памяти дешифратора на элементах DIO, Dil и устанавливается в исходное состояние триггер D3.2. Дополнительный iíS-триггер на элементах D7.3, D7.4 обеспечивает однократный цикл работы блока задержки D6 и таймера D3.2 в каждом периоде развертки частоты импульсов тока возбуждения. Возврат схемы в исходное состояние -сброс счетчиков D6, D8, D9 и ÄS-триггера D7.3, D7.4 выполняется выходным сигналом триггера Шмитта D1.1 во время разряда время -задающего конденсатора С1 генератора развертки.

Калибровка устройства выполняется посредством натяжения контролируемого провода длиной Í = 5 см измерительными гирями массой 0,2 и 0,25 Н, причем равенство показаний индикатора HG силе натяжения 0,25 Н обеспечивается регулировкой потенциометра R29 КЛБ таймера D3.2.

В предложенном устройстве для исключения влияния высших гармоник развертка частоты импульсов возбуждения ведется от малых значений /в к большим, т.е. снизу - вверх, и за счет исключения повторного запуска блока задержки и таймера в одном цикле развертки устраняется вероятность измерения гармонических частот.

Для упрощения процесса контроля установлен звуковой индикатор ЗП-З, который "вякает" на резонансной частоте, причем ухо оператора сравнительно быстро адаптируется к распознаванию силы натяжения на частоте звука.

Для контроля электрического контакта между проводом и щупом применен светодиод VD3, который непрерывно горит при отсутствии контакта и потухает при его наличии. Повторитель VT9 и диод VD2 обеспечивают требуемый ток через светодиод VD3, и исключает его зажигание при наличии контакта.

Данное устройство внедрено в ООО "Научприбор", г. Орел.

Юмх

65У

с=ь

Я \ь/т к

-I____Ь"1

Ю7/Ш0'А

О-

№/№к ' 70 к

отсн

/г

13

ТЛ1

8

Ъ2.Ч

6 ля Ш 1 '

5 тлф 2 тм

Ъ1Л\ ' 1)1.11

т

Ю0/1И

КТ315

Юк

и.

. г

ЬУЫ Ш/К7315

У3>/ №522

1

5У

тл /

Ъ2А

7М2±

м/зм

ст<?

ш/ ит

2 я б

и

14

II

О*

16

тцз

Ш/ ТМ2

1)3,26

12

10

>,/от

54

8

5У1_

а

г

10

М0,3к ИТ315

ТО КГЗ/4-7

_—

Н12*/з0н

т

с/

ЮмхМ

СПЬ» к1*315

иь

яго/гооц

8

<Му

сз-НЕ

I

12цм

к?*

ш/\гоЕ

1/7н

о~

1>

то М

т

Ъ5 мс

7"/} 1 1)1.4

С5/0/ИК

КАВ

ШГГШ

13

ЛВ5 $7.4

1

туо]

кяг

{

X

7.

м

1*27 У7к

/, Уа. ¿V/

Сб

3(7-3

-1А >

я**

■С

Ё. ^7

КРМ -уди?

$ч

5У9

Ш/5

УГ5

/<73/5 Ш

5 - {

6 А £5]

Ш2

¡2 мам

¡у.—а

Юмнм

12 м^м

¡■Опии

С2.

Й2?

ЙГ0 //

1к

Ц7к

ААУ)7_

/5

С

з

50

Ы

£3

/

V

мы

Ш4

/

17

11

16

К Ж

н

14

и) а в с й е

.16 щ

13

•Чо

И.10\

10

А

а

'А. 13 15

ж

т

Н(т1

кипи,

Ъ Ш'Ш

с '

Щ 11

ъ в

г &

и

л

Е\__\с д 1и

5\гШ2Р°

15

0: (Д

5Уо-

16

№4

ъс

И176

1/ рс

Э11

9\\

Г

ГО ¡3

п 10

12 8

13 ?

¡5 2

14 11

6

Н&2

кипи, ош/г я

Примечания.

У

Резисторы со значком # типа с2-238, 2. Питание +58, ток потребления /оома Зависимость между смлои Рн и показаниями;

Граммы 2 5 7 /0 12 15 17 го 25 30 ЗХ <*0

А/прп 012пК Ч 8 // 13 /5" ¡7 1$ 22 25 29 31 32

А/ при он ома 3 8 Ю /3 /5 ¡7 18 21 25 27 30 —

Рисунок П.2

Принципиальной схема приЬора контроля Рн

13

"УТВЕРЖДАЮ"

х -ц- N

Начальник ООО СКБ "Научприбор" ¡/ЦЛH.H. Иванов "1__" ноября 1998 г.

АКТ

внедрения в ООО "Научприбор" результатов диссертации БОГДАНОВА НИКОЛАЯ ГРИГОРЬЕВИЧА, представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук

Настоящим актом подтверждается:

1. В ООО СКБ "Научприбор" внедрены следующие результаты диссертационной работы Богданова Н.Г.:

1.1. Цифровой прибор контроля силы натяжения высокоом-ных вольфрамовых проводов малого диаметра.

1.2. Методика градуировки цифрового прибора контроля силы натяжения проводов с диаметром 10, 11 и 12 мкм.

2. Внедренные результаты диссертации в настоящее время используются при технологическом контроле многопроволочной пропорциональной камеры малодозной цифровой рентгеновской установки МЦРУ, выпускаемой ООО "Научприбор".

3. Техническая документация с описанием структурной и принципиальной схем цифрового прибора контроля преобразователей рентгеновского излучения передана по договору о научно-техническом сотрудничестве в Сибирское отделение АН РФ.

Ведущий конструктор СКБ Лобанов Ю.В.

"УТВЕРЖДАЮ" Генеральный директор АО О >н"

II

н"

н

ефилов

II

^ У/

т /1 1998 г.

АКТ

внедрения в АО "Протон" результатов диссертации БОГДАНОВА НИКОЛАЯ ГРИГОРЬЕВИЧА, представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук

Настоящим актом подтверждается:

1. В АО "Протон" внедрены следующие результаты диссертационной работы Богданова Н.Г.:

1Л. Цифровой веберметр с развертывающим частотным преобразованием, его принципиальная схема и техническое описание.

1.2. Методика контроля напряженности магнитного поля струнным цифровым веберметром.

2. Внедренные результаты диссертации применены при модернизации технологической установки для контроля параметров микросхем в электромагнитном поле.

3. Предложенную структуру построения многоканальной системы контроля с последовательным опросом каналов планируется использовать при выполнении ОКР по усовершенствованию системы охранно-пожарной сигнализации.

Зам. Генерального директора АО ОКБ

СПРАВКА

Дана Богданову Николаю Григорьевичу в том, что результаты диссертационной работы "Метод и средство контроля силы натяжения провода с развертывающим частотным преобразованием" используются в учебной и научной работе на кафедре "Радиотехники и электроники" ВИПС:

1) при дипломном проектировании по разработке современных систем пожарно-охранной сигнализации объектов телекоммуникаций и устройств аналого-цифровой обработки сигналов применяется способ развертки частоты возбуждающего сигнала;

2) на лабораторном практикуме по резонансным усилителям и фильтрам исследуются динамические характеристики избирательных цепей при различных видах модуляции возбуждающего сигнала;

3) способ построения многоканальных мультиплицированных систем применяется при выполнении плановой НИР по повышению эффективности средств цифровой связи.

Начальник кафедры "Радиотехники и электроники"

кандидат технических наук, доцент

Г.В. Богачев

Подпись Богачева Г.В. "Заверяю"

Заместитель начальника института по кадрам,

начальник отдела кадров и строевого * —А.И. Дешин