Способ определения местоположения диэлектрического промежутка в электропроводящем объекте и устройство для его осуществления
METHOD FOR DETERMINING POSITION OF DIELECTRIC GAP IN ELECTRICAL CONDUCTING OBJECT AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для местонахождения межламельного промежутка коллектора электрической машины постоянного тока, например, при восстановлении тяговых двигателей в условиях ремонтного производства электровозного депо.
В тяговом электродвигателе коллектор является наиболее сложным узлом, содержащим, например, более пятисот ламельных пластин, разделенных диэлектриком. В процессе эксплуатации поверхность коллектора подвергается износу, приводящему к нарушению электрического контакта. Его устраняют токарной обработкой и далее шлифованием и накаткой. При этом изменяются глубина и геометрия пазов (межламельных промежутков) между коллекторными пластинами, появляются загрязнение межламельных промежутков и заусенцы на гранях пластин. В эксплуатации это может привести к возникновению кругового огня по коллектору. Влияние этих мешающих факторов устраняют в основном путем пошаговых поворотов якоря электрической машины с последующей продорожкой на каждом шаге межламельных промежутков, заполненных диэлектриком (например, миканитом), по всей ширине и длине на глубину (1,4-1,6) мм. Заданные размеры и форму пазов формируют фрезерованием. Необходимую поднастройку положения фрезы производит оператор, вручную выставляя и позиционируя ее в процессе продораживания по середине каждого межламельного промежутка. Данный процесс является трудоемким и небезопасным для рабочего персонала. Но важно отметить, что при ручном характере труда в операциях позиционирования и манипулированием хода фрезы не могут быть достигнуты соответственно достаточная точность определения середины межламельного промежутка и плавность хода ввиду ограниченных физиологических возможностей оператора. Тем более, он не способен одновременно точно и достаточно долго контролировать положение фрезы и плавно ею манипулировать. Снять кардинально эти технологические ограничения можно лишь в автоматическом режиме путем измерения отклонений положения фрезы от средней линии паза и обнуления получаемых ошибок, т.е. создания автоматической системы продороживания с отрицательной обратной связью. Поскольку погрешность измерения отклонения входит как аддитивная составляющая в погрешность автоматической замкнутой системы, то необходимая точность отслеживания положения фрезы относительно середины паза в основном будет и здесь обусловлена погрешностями преобразования ее положения в информативный сигнал. Следовательно, в ручном и автоматическом режимах продороживания точность будет обусловлена параметрами характеристик преобразователя.
Известны способы и устройства (Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник / В.В. Клюев, Ф.Р. Соснин, А.В. Ковалев и др.; под ред. В.В. Клюева. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2003. 656 с.) преобразования перемещений в электрический сигнал, например, для случая определения диэлектрического промежутка в электропроводящем объекте, с использованием принципов вихретокового (электромагнитного) контроля. Здесь основной функциональный элемент - вихретоковый преобразователь (ВТП) генерирует высокочастотное электромагнитное поле, которое сканируют и вводят во взаимодействие с электропроводящим объектом, возбуждая в последнем на основе закона электромагнитной индукции вихревые токи, которые, образуя свое реактивное поле и уменьшая первоначальное, формируют результирующее.
ВТП содержит катушку индуктивности с одной или несколькими обмотками. Простейшим является ВТП параметрического типа, имеющий катушку в виде одной обмотки с каким-либо комплексным сопротивлением. Ее сканируют, выдерживая ось последней перпендикулярно к поверхности объекта. Таким образом, катушка всегда будет погружена в магнитное поле: или при отсутствии взаимодействия - в свое собственное, или при его наличии - в результирующее. При этом индуктивная составляющая комплексного сопротивления обмотки претерпевает изменения: при подводе катушки к объекту она минимальна, при отводе максимальна. Перенося эти соображения на процесс продорожки, можно утверждать, что при сканировании ВТП с малым, но неизменным зазором относительно поверхности коллектора индуктивная компонента в положениях над ламелями будет принимать минимальное значение, а в положениях над диэлектрическими промежутками - максимальное. Чувствительность определения диэлектрического промежутка будет зависеть от разрешающей способности ВТП: она становится максимальной при минимально возможном диаметре его обмоток. Так как межламельный промежуток в коллекторах машин постоянного тока составляет менее одного мм при ширине ламелей, выполненных из медных пластин, (3-5) мм, то для надежного его определения потребуется выполнить ВТП с диаметром обмоток менее одного миллиметра, что технологически достаточно сложно. Но очевидно, будет достаточным в процессе продороживания непрерывно определять «траекторию» середины промежутка с тем, чтобы, привязавшись к ней, управлять ходом фрезы. В этом суть предлагаемого способа.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу и устройству является «Вихретоковый датчик перемещений», патент РФ 2196960, кл. G01B 7/00, который принят за прототип. Его можно отнести к известному классу ВТП. Он состоит из двух измерительных обмоток, включенных по дифференциальной схеме, и обмотки возбуждения. Способ, реализованный в этом устройстве, в основе своей соответствует физике обширной группы вышеупомянутых ВТП с добавлением того, что при смещении объекта, имеющего электрическую или магнитную неоднородность, относительно оси катушки, или сканировании объекта, что то же самое, нарушается симметрия электромагнитного поля и электродвижущих сил измерительных обмоток. На выходе ВТП появляется разностный переменный сигнал, амплитуда которого соответствует величине смещения, а фаза его знаку. Здесь характеристика преобразования ВТП, т.е. зависимость амплитуды и фазы сигнала от его смещения описывается нечетной функцией, что является достоинством способа в устройстве - прототипе.
Однако данному способу и устройству присущи следующие недостатки.
1. Требуется строгая симметрия геометрических и электромагнитных параметров измерительных обмоток и каналов преобразования сигнала, что накладывает повышенные требования к технологичности способа и его осуществлению,
2. Имеет место низкая чувствительность обнаружения малых диэлектрических промежутков в электропроводящем объекте. Ее, как отмечалось выше, можно увеличить путем уменьшения диаметра обмотки катушки ВТП. Такой путь не является технологичным.
Таким образом, целью изобретения является увеличение чувствительности определения середины диэлектрического промежутка и, следовательно, его местоположения в электропроводящем объекте, повышение технологичности процесса продороживания и безопасности труда рабочего персонала.
Указанная цель достигается тем, что способ определения местоположения диэлектрического промежутка в электропроводящем объекте, например, межламельного промежутка на поверхности коллектора электрической машины, заключающийся в его сканировании поперек упомянутого промежутка вихретоковым преобразователем, дополнен, согласно изобретению, тем, что вихретоковый преобразователь подвергают вибрации, например механической, по касательной к поверхности контроля в направлении сканирования с амплитудой, соизмеримой с шириной контролируемого промежутка, и частотой, значительно меньшей частоты его возбуждения, и устройство, содержащее измерительный блок и вихретоковый преобразователь, выполненный, например, на подковообразном магнитопроводе, плоскость которого перпендикулярна контролируемой поверхности, а обмотка связана с генератором высокой частоты и измерительным блоком, дополнено, согласно изобретению, электромеханическим вибратором, выполненным в виде соосно сопряженных постоянного магнита и катушки возбуждения, закрепленной на корпусе устройства и подключенной к генератору низкой частоты, и двух параллельно ориентированных упругих проводников, первые концы которых жестко связаны с корпусом устройства через изолирующие элементы и подключены к генератору высокой частоты, а вторые - с упомянутыми постоянным магнитом и подковообразным магнитопроводом, причем, плоскость последнего перпендикулярна преимущественно направлению сканирования, обмотка вихретокового преобразователя подключена ко вторым концам упругих проводников, при этом измерительный блок снабжен подключенным к обмотке вихретокового преобразователя детектором и последовательно присоединенными к нему фильтром и фазочуствительным выпрямителем, опорный вход которого связан с выходом генератора низкой частоты, а выход с нуль - индикатором.
Фигуры 1 и 2 иллюстрируют предлагаемый способ на примерах соответственно разработанных конструкции вихретокового преобразователя и функциональной схемы измерительного блока.
Устройство, реализующее способ определения местоположения диэлектрического промежутка в электропроводящем объекте, например, межламельного промежутка на поверхности коллектора электрической машины постоянного тока, содержит вибратор 1, вихретоковый преобразователь 2 и измерительный блок 3. Вибратор 1, например, электромеханического типа, выполнен в виде катушки возбуждения 4, закрепленной на корпусе 5 устройства, и соосно размещенного с ней постоянного магнита 6, прикрепленного к плате 7, и двух упругих проводников 8, прикрепленных одними концами к плате 7, а другими - через изолирующие элементы 9 к корпусу 5. Плата 7 вибратора 1 может быть выполнена из фольгированного текстолита с проводящими дорожками 10. Вихретоковый преобразователь 2 выполнен, например, в виде обмотки 11 на подковообразном магнитопроводе 12, который закреплен к противоположной оконечности платы 7 таким образом, чтобы плоскость расположения магнитопровода 12 была перпендикулярна плоскости платы 7 и, преимущественно, перпендикулярно направлению сканирования. Концы обмотки 11 вихретокового преобразователя 2 присоединены, например, пайкой, к проводящим дорожкам 10. Упругие проводники 8 выполнены, например, в виде тонких стержней или пластин из пружинной стали (свойства упругости условно отображены волнистыми линиями на фиг.1). Вторые концы упругих проводников 8 соединены через гибкие проводники 13 с генератором высоких частот 14 и входом измерительного блока 3. Последний включает в себя последовательно соединенные детектор 15, вход которого объединен со входом измерительного блока 3, фильтр 16 и фазочувствительный выпрямитель 17, снабженный нуль-индикатором 18, а также генератор низкой частоты 19, выход которого подключен к возбуждения 4 вибратора 1 (на фиг 2 катушка 4 в рамках вибратора 1 не показана) и опорному входу фазочувствительного выпрямителя 17. Вихретоковый преобразователь 2 расположен в непосредственной близости к объекту 20, например, коллектору электрической машины постоянного тока, имеющему ламели 21 и межламельные промежутки 22.
Суть способа может быть показана при рассмотрении работы устройства по представленным фигурам.
Обмотка 11 ВТП 2, обтекаемая переменным током с частотой порядка несколько сотен кГц, генерирует электромагнитное поле возбуждения, которое при подводе его к поверхности электропроводящего объекта 20, например, коллектора в зоне над межламельным промежутком 22, симметрично ориентированное относительно его середины, создает в ней максимальное значение индуктивного сопротивления. Допустим для упрощения, что в этом исходном состоянии ВТП поле не проникает в тело ламелей 21 и вихревые токи в них не возникают. Следовательно, реактивное поле отсутствует, обмотка 11 погружена в собственное поле возбуждения, и на ее концах имеет место падение напряжения с установленной частотой возбуждения. Под действием электромагнитных сил вибратора 1, возникающих при обтекании катушки 4 переменным током низкой частоты, например, 50 Гц, магнитопровод 12 с обмоткой 11 перемещается поперек промежутка 21 с его середины, например, вверх (условно по фиг. 1), приближаясь к верхней ламели 21. Падает индуктивное сопротивление обмотки 11, а вместе с ней и падение напряжения, которое становится минимальным в момент, когда магнитопровод 12 расположится большей своей частью над верхней (условно) ламелью 21. При движении последнего под действием вибратора 1 в обратном направлении индуктивное сопротивление и падение напряжения возрастают, достигая максимальных значений в момент, когда магнитопровод 12 займет положение над серединой промежутка 22. Затем, начиная с этого момента, магнитопровод 12 движется в обратном направлении (сверху - вниз условно по фиг. 1), и процесс изменения индуктивного сопротивления и падения напряжения повторяется. В результате имеет место амплитудная модуляция высокочастотного напряжения (несколько сотен кГц) низкой частотой, например, 50 Гц, равной частоте вибрации.
Далее постоянная составляющая амплитудно-модулированного напряжения устраняется фильтром 16, и полученная огибающая этого переменного сигнала с частотой вибрации будет иметь нулевую фазу в положении магнитопровода 12, соответствующим середине межламельного промежутка 22, и фазу со знаком «плюс» или «минус» в зависимости от смещения, например, вверх или вниз (условно по фиг. 1) от этой середины. Обычной схемотехнической обработкой, например, фазочувствительным выпрямлением в элементе 17, этот сигнал преобразуют в постоянное напряжение, значение и знак которого указывает величину и направление смещения, т.е. предлагаемый ВТП, как и прототип, имеет нечетную характеристику преобразования. В положении ВТП над серединой промежутка информативный сигнал имеет нулевое значение, которое регистрируют «нуль-индикатором». В случае смещения ВТП от середины оператор по значению сигнала вырабатывает необходимое управляющее воздействие, обеспечивая ход фрезы по центру межламельного промежутка.
Следует добавить, что при смещении ВТП поперек диэлектрического промежутка магнитные полюса на разомкнутых концах магнитопровода 12 могут пересекать его или поочередно (плоскость магнитопровода 12 совпадает с направлением сканирования), или одновременно (плоскость магнитопровода 12 расположена поперек направления сканирования). Предпочтительнее в изобретении может быть принят второй вариант, т.к. в этом случае чувствительность преобразования будет увеличенной.
Нечетная характеристика данного преобразования позволяет также эффективнее использовать предлагаемый ВТП в замкнутой системе автоматического управления процессом продорожки. Кроме того, его можно использовать в задачах дефектоскопии для обнаружения в металлоизделиях трещин, полости которых обычно заполнены воздухом или каким-либо другим диэлектриком (маслом, грязью и т.п.).
Предложенное изобретение выгодно отличаются от прототипа тем, что
- реализованный способ выполнен по более совершенному алгоритму преобразования «модулятор - демодулятор», в котором функцию модулятора выполняет вибратор (известно, что принцип «модуляции - демодуляции» обладает более высокой чувствительностью по сравнению с принципом сравнения сигналов, примененном в устройстве - прототипе);
- увеличении чувствительности достигается также тем, что плоскость магнитопровода 12 расположена поперек направления сканирования;
- более достоверное определение положения фрезы посередине межламельного промежутка за счет регистрации ее многократных смещений фактически в каждой точке хода, т.е. множества измерений, обусловленных частотой вибрации;
- схемотехническое решение ВТП отличается большей универсальностью, так как оно работоспособно с однообмоточными и многообмоточнми типами преобразователей (прототип построен только лишь на дифференциальной - трехобмоточной схеме, которая менее технологична);