ПРОФИЛОМЕТР ДЛЯ КОНТРОЛЯ МИКРОГЕОМЕТРИИ КОЛЛЕКТОРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
ROUGHNESS INDICATOR TO CONTROL ELECTRICAL MACHINE COMMUTATOR MICRO GEOMETRY

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в различных отраслях промышленности для динамического контроля микрогеометрии вращающихся токопроводящих цилиндрических деталей, в частности рабочей поверхности коллекторов электрических машин.
Известно устройство бесконтактного профилометра для контроля микрогеометрии коллекторов электрических машин [Авторское свидетельство СССР №1260672, МПК G01B 7/12, опубл. 30.09.1986]. Бесконтактный профилометр для контроля микрогеометрии коллекторов электрических машин, содержащий преобразователь перемещений, подключенную к его выходу измерительную схему, блок обработки измерительного сигнала, связанный с выходом измерительной схемы, блок управления, подключенный ко второму и третьему входам блока обработки измерительного сигнала, регистратор, связанный с выходом блока обработки измерительного сигнала. Второй преобразователь перемещений, установленный над рабочей поверхностью контролируемого коллектора, смещен относительно первого преобразователя на половину коллекторного деления в тангенциальном направлении и соединен с входом блока управления. Блок управления содержит цепь из последовательно соединенных измерительной схемы, компаратора, ограничителя, источника опорного сигнала, подключенного ко второму входу компаратора, схему сброса, вход измерительной схемы является входом, а выходы ограничителя и схемы сброса - выходами блока управления.
Недостатком устройства является использование дополнительного преобразователя перемещений. Известный профилометр не учитывает различия удельных электрических проводимостей коллекторов электрических машин, которые влияют на результат измерений.
Известен также бесконтактный профилометр для контроля микрогеометрии коллекторов электрических машин [Авторское свидетельство СССР №1397714, МПК G01B 7/12, опубл. 23.05.1988]. Бесконтактный профилометр для контроля микрогеометрии коллекторов электрических машин снабжен цепью из последовательно соединенных формирователя прямоугольных импульсов, преобразователя частота-напряжение и управляемого фильтра низкой частоты двухполюсным переключателем, двумя вентилями, выход управляемого фильтра низкой частоты через разнополярно включенные вентили и нормально разомкнутые контакты двухполюсного переключателя подключен к входам элементов памяти, вход формирователя прямоугольных импульсов и второй вход управляемого фильтра низкой частоты связан с выходом измерительной схемы, а выходы ключей соединены с соответствующими нормально замкнутыми контактами двухполюсного переключателя.
Известный профилометр также не учитывает различия удельных электрических проводимостей коллекторов электрических машин, которые влияют на результат измерений.
Наиболее близким, принятым за прототип, является прибор для исследования механических факторов в коллекторных электрических машинах [А.И.Скороспешкин, Л.Я.Зиннер, А.И.Прошин // Известия ТПИ. - 1966. - Т.160. - С.162-167]. Устройство состоит из генератора независимого возбуждения, соединенного с обмотками возбуждения измерительных датчиков. Индуктивный измерительный датчик малых перемещений и компенсационный датчик соединены таким образом, что электродвижущая сила (ЭДС) на обмотке компенсационного датчика находится в противофазе с ЭДС измерительного датчика. Разностная ЭДС обмоток подается на эмитерный повторитель. Эмитерный повторитель соединен с резонансным усилителем и милливольтметром. Милливольтметр соединен с генератором независимого возбуждения. Резонансный усилитель соединен с видеоусилителем.
Известный прибор не учитывает различия удельных электрических проводимостей коллекторов электрических машин, которые влияют на результат измерений, вследствие этого для него необходимо производить предварительную градуировку для различных коллекторов электрических машин. Для устранения влияния вибраций на измерения профиля коллектора необходимо устанавливать второй измерительный датчик над поверхностью вала электрической машины.
Задачей изобретения является упрощение процесса измерения микрогеометрии коллекторов электрических машин.
Поставленная задача решена за счет того, что профилометр для контроля микрогеометрии коллекторов электрических машин так же, как в прототипе, содержит вихретоковый преобразователь, который содержит обмотки возбуждения измерительной и компенсирующей катушек. Вихретоковый преобразователь установлен над рабочей поверхностью контролируемого коллектора.
Согласно изобретению вихретоковый преобразователь состоит из дифференциального усилителя и моста, при этом одно плечо моста образовано измерительной и компенсирующей катушкой, а другое - активными сопротивлениями.
Средние точки плеч моста подключены к входам дифференциального усилителя. К выходу дифференциального усилителя подключен буферный усилитель, который связан с первым амплитудным детектором и схемой преобразования фазового отклика в амплитудный. Схема преобразования фазового отклика в амплитудный состоит из последовательно соединенных детектора нуля, токоограничивающего резистора, полосового фильтра и второго дифференциального усилителя и подключена ко второму амплитудному детектору. Первый и второй амплитудные детекторы соединены с первым и вторым выходными дифференциальными усилителями соответственно. Выходные дифференциальные усилители соединены с регистратором и микроконтроллером, который через преобразователь уровней связан с персональным компьютером. Микроконтроллер также соединен с буферированным по выходу вторым полосовым фильтром, соединенным с вихретоковым преобразователем и схемой преобразования фазового отклика в амплитудный.
Предложенная конструкция профилометра позволяет выделить из сигнала снимаемого с выхода вихретокового преобразователя две составляющих - изменение амплитуды сигнала и изменение фазового сдвига между выходным и входным сигналами вихретокового преобразователя под воздействием влияния коллектора электрической машины. Наличие цифровых потенциометров в схеме включения выходных дифференциальных усилителей позволяет программно регулировать уровень выходных сигналов дифференциальных усилителей в оптимальных пределах для регистратора и аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера.
Предлагаемое изобретение позволяет проводить измерения расстояния между вихретоковым преобразователем и коллектором электрической машины без предварительной градуировки исследуемого коллектора за счет учета удельных электрических проводимостей пластин коллектора электрической машины.
На фиг.1 представлена функциональная схема заявляемого профилометра для контроля микрогеометрии коллекторов электрических машин.
На фиг.2 изображена функциональная схема вихретокового преобразователя.
На фиг.3 изображена функциональная схема преобразования фазового отклика в амплитудный.
На фиг.4 изображена функциональная схема выходного дифференциального усилителя.
На фиг.5 изображена функциональная схема полосового фильтра.
Профилометр для контроля микрогеометрии коллекторов электрических машин содержит вихретоковый преобразователь 1 (ВТП) (фиг.1), который состоит из дифференциального усилителя 2 и моста (фиг.2). Одно плечо моста образовано измерительной катушкой 3 и компенсирующей катушкой 4 со стержневыми ферритовыми сердечниками, а другое - активными сопротивлениями 5 и 6, номиналы которых соответствуют комплексным сопротивлениям измерительной и компенсирующей катушки соответственно. Плечо моста, образованное активными сопротивлениями 5 и 6, соединено с инвертирующим входом дифференциального усилителя 2, а плечо, образованное катушками 3 и 4, подключено к неинвертирующему входу дифференциального усилителя 2.
К вихретоковому преобразователю 1 (ВТП) подключен буферный усилитель 7 (БУ) (фиг.1). Выход дифференциального усилителя 2 (фиг.2) вихретокового преобразователя 1 (ВТП) подключен к инвертирующему входу буферного усилителя 7 (БУ) (фиг.1). Общая шина вихретокового преобразователя 1 (ВТП) соединена с неинвертирующим входом буферного усилителя 7 (БУ). Соединение вихретокового преобразователя 1 (ВТП) и буферного усилителя 7 (БУ) выполнено при помощи витой пары. К буферному усилителю 7 (БУ) подключены первый амплитудный детектор 8 (АД1) и схема преобразования фазового отклика в амплитудный 9 (ФА).
Схема преобразования фазового отклика в амплитудный 9 (ФА) (фиг.3) состоит из последовательного соединения детектора нуля 10, токоограничивающего резистора 11, полосового LC-фильтра 12 и дифференциального усилителя 13. Выход буферного усилителя 7 (БУ) подключен к инвертирующему входу детектора нуля 10, неинвертирующий вход детектора нуля 10 соединен с общей шиной. Полосовой LC-фильтр 12 подключен к инвертирующему входу дифференциального усилителя 13.
Выход схемы преобразования фазового отклика в амплитудный 9 (ФА) соединен с входом второго амплитудного детектора 14 (АД2) (фиг.1). Амплитудные детекторы 8 (АД1) и 14 (АД2) соединены с выходными дифференциальными усилителями 15 (ВДУ1) и 16 (ВДУ2) соответственно.
Выходные дифференциальные усилители 15 (ВДУ1) и 16 (ВДУ2) выполнены идентично и состоят из инструментального усилителя 17 (фиг.4) с подключенными к нему цифровыми потенциометрами 18 и 19. Входами выходных дифференциальных усилителей 15 (ВДУ1) и 16 (ВДУ2) служат инвертирующие входы инструментальных усилителей 17. Цифровой потенциометр 18 подключен делителем напряжения между питающим напряжением и общей шиной к неинвертирующему входу инструментального усилителя 17. Цифровой потенциометр 19 подключен в цепь изменения коэффициента усиления инструментального усилителя 17 соответственно. [http://shtz.shadrinsk.net/library/doc/ad/prod/descript/ad622.pdf]
Выходы выходных дифференциальных усилителей 15 (ВДУ1) и 16 (ВДУ2) (фиг.1) соединены с входом аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера 20 (МК) [Евстигнеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega: Руководство пользователя / А.В.Евстигнеев. - М.: Издательский дом “Додэка-XXI”, 2007. - 592 с., стр.401] и регистратором 21 (Р). Микроконтроллер 20 (МК) соединен с цифровыми потенциометрами 18, 19 (на фиг.4 не показано) выходных дифференциальных усилителей 15 (ВДУ1) и 16 (ВДУ2) последовательным интерфейсом. Микроконтроллер 20 (МК) имеет двухстороннюю связь с персональным компьютером 22 (ПК) через преобразователь уровней 23 (ПУ) (фиг.1). Кроме того, микроконтроллер 20 (МК) соединен с полосовым фильтром 24 (ПФ).
Полосовой фильтр 24 (ПФ) состоит из последовательного соединения токоограничивающего резистора 25, полосового LC-фильтра 26 и буферного усилителя 27 (фиг.5).
Полосовой фильтр 24 (ПФ) соединен с вихретоковым преобразователем 1 (ВТП) и схемой преобразования фазового отклика в амплитудный 9 (ФА) (фиг.1). Выход полосового фильтра 24 (ПФ) подключен к неинвертирующему входу дифференциального усилителя 13 схемы преобразования фазового отклика в амплитудный 9 (ФА) (фиг.3).
Вихретоковый преобразователь 1 (ВТП) имеет электромагнитную связь с коллектором электрической машины 28 (КЭМ) (фиг.1).
Буферный усилитель 7 (БУ) может быть выполнен на операционном усилителе LM318, включенном по дифференциальной схеме, к входам которой подключен токозадающий резистор. Первый амплитудный детектор 8 (АД1) собран как последовательное соединение масштабного усилителя, выполненного на базе операционного усилителя LM318, токоограничивающего резистора и несимметричного удвоителя напряжения первого рода, собранного из керамических конденсаторов и быстродействующих диодов [http://www.cqham.ru/uu1.htm]. Второй амплитудный детектор 14 (АД2) может быть выполнен как последовательное соединение токоограничивающего резистора и несимметричного удвоителя напряжения первого рода, собранного из керамических конденсаторов и быстродействующих диодов [http://www.cqham.ru/uu1.htm]. Выходные дифференциальные усилители 15 (ВДУ1) и 16 (ВДУ2) могут быть выполнены на инструментальном операционном усилителе AD622. В качестве микроконтроллера 20 (МК) может быть выбран микроконтроллер Atmega8. В качестве регистратора 21 (Р) может быть осциллограф или быстродействующий АЦП для последующей обработки. Преобразователь уровней 23 (ПУ) может быть выполнен на базе микросхемы МАХ232.
В качестве дифференциальных усилителей 2 и 13 (фиг.2, 3) может быть выбран прецизионный быстродействующий операционный усилитель ОР37, включенный по дифференциальной схеме.
Детектор нуля 10 (фиг.3) может быть выполнен на базе операционного AD8021 усилителя без введенной обратной связи.
В качестве цифровых потенциометров 18, 19 (фиг.4) могут быть использованы микросхемы AD7376.
Буферный усилитель 27 (фиг.5) может быть выполнен на базе высокоскоростного буфера BUF634.
Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии микроконтроллер 20 (МК) (фиг.1) выдает переменный прямоугольный сигнал частоты возбуждения вихретокового преобразователя 1 (ВТП). Этот сигнал подается на полосовой фильтр 24 (ПФ), где выделяется его основная гармоника, соответствующая частоте возбуждения вихретокового преобразователя 1 (ВТП). Далее отфильтрованный сигнал поступает в вихретоковый преобразователь 1 (ВТП). При условии отсутствия коллектора электрической машины 28 (КЭМ) в зоне действия измерительной катушки 3 (фиг.2) плечи моста вихретокового преобразователя 1 (ВТП) будут сбалансированы, и на его выходе будет близкий к нулю сигнал в связи с неабсолютной идентичностью плечей моста. При взаимодействии вихретокового преобразователя 1 (ВТП) (фиг.1) с коллектором электрической машины 28 (КЭМ) плечи моста выходят из баланса, при этом изменяется выходной сигнал вихретокового преобразователя 1 (ВТП) по амплитудной величине и величине фазового сдвига относительно входного сигнала. Степень выхода плечей из баланса зависит от расстояния между вихретоковым преобразователем 1 (ВТП) и коллектором электрической машины 28 (КЭМ), от физических свойств пластин коллектора электрической машины 28 (КЭМ). Сигнал рассогласования усиливается усилителем 2 (фиг.2) вихретокового преобразователя 1 (ВТП) и поступает в буферный усилитель 7 (БУ) (фиг.1). Усиленный по току сигнал поступает в первый амплитудный детектор 8 (АД1) для определения амплитудного отклика и в схему преобразования фазового отклика в амплитудный 9 (ФА) для определения фазового отклика. В схеме преобразования фазового отклика в амплитудный 9 (ФА) (фиг.3) входной сигнал с буферного усилителя 7 (БУ) проходит через детектор нуля 10, где сигнал нормируется по амплитуде, сохраняя величину фазового сдвига. Затем этот сигнал проходит через токоограничивающий резистор 11 и полосовой LC-фильтр 12 с резонансной частотой, равной частоте возбуждения вихретокового преобразователя 1 (ВТП) (фиг.1). После прохождения полосового LC-фильтра 12 (фиг.3) из сигнала выделяется основная гармоника, поступающая на инвертирующий вход дифференциального усилителя 13. На неинвертирующий вход дифференциального усилителя 13 поступает сигнал с полосового фильтра 24 (ПФ) (фиг.1). При условии, что амплитуды выходных сигналов полосового фильтра 24 (ПФ) и полосового LC-фильтра 12 равны, амплитуда выходного сигнала дифференциального усилителя 13 будет определяться только величиной фазового сдвига между выходным сигналом вихретокового преобразователя 1 (ВТП) и сигналом с полосового фильтра 24 (ПФ), являющимся входным сигналом вихретокового преобразователя 1 (ВТП). После схемы преобразования фазового отклика в амплитудный 9 (ФА) сигнал поступает на второй амплитудный детектор 14 (АД2). После амплитудных детекторов 8 (АД1) и 14 (АД2) сигналы переменного тока, проходящие через них, преобразуются в сигналы постоянного тока. С амплитудных детекторов 8 (АД1) и 14 (АД2) сигналы поступают на инвертирующие входы выходных дифференциальных усилителей 15 (ВДУ1) и 16 (ВДУ2) соответственно. Цифровые потенциометры 18, 19 (фиг.4) выходных дифференциальных усилителей 15 (ВДУ1) и 16 (ВДУ2) управляются микроконтроллером 20 (МК) (фиг.1). Включение цифровых потенциометров позволяет изменять коэффициент усиления инструментальных усилителей и величину постоянной составляющей выходного сигнала выходных дифференциальных усилителей 15 (ВДУ1) и 16 (ВДУ2). Выходные сигналы с выходных дифференциальных усилителей 15 (ВДУ1) и 16 (ВДУ2) поступают на регистратор 21 (Р). Через преобразователь уровня 23 (ПУ) оцифрованные микроконтроллером 20 (МК) данные поступают в персональный компьютер 22 (ПК), по которым оператор может оценить необходимость изменения сопротивления цифровых потенциометров выходных дифференциальных усилителей 15 (ВДУ1) и 16 (ВДУ2). Существует возможность изменять сопротивления цифровых потенциометров по команде с персонального компьютера 22 (ПК).
По совокупности амплитудного и фазового отклика можно судить о расстоянии между вихретоковым преобразователем 1 (ВТП) и коллектором электрической машины 28 (КЭМ), а также о физических свойствах пластин коллектора, например, таких как удельная электрическая проводимость. При помощи цифровых потенциометров 18 и 19 (фиг.4) можно установить необходимый уровень постоянной составляющей, символизирующий отсутствие коллектора электрической машины 28 (КЭМ) в зоне контроля вихретокового преобразователем 1 (ВТП), максимальный уровень выходного сигнала выходных дифференциальных усилителей 15 (ВДУ1) и 16 (ВДУ2), соответствующий максимально возможному уровню для регистратора 21 (Р). По заранее снятым зависимостям расстояния между вихретоковым преобразователем 1 (ВТП) и различными коллекторами электрических машин 28 (КЭМ) с известными свойствами строят таблицы соответствия, которые в дальнейшем используют для определения электрической проводимости пластин коллектора и расстояния между вихретоковым преобразователем 1 (ВТП) и коллектором электрической машины 28 (КЭМ). Быстродействие предлагаемого устройства позволяет отрабатывать быстроменяющиеся взаимодействия между профилем коллектора электрических машин 28 (КЭМ) и вихретоковым преобразователем 1 (ВТП).
Таким образом, предлагаемый объект позволяет проведение измерения микрогеометрии коллекторов электрических машин без их предварительной градуировки.