Устройство электромагнитного контроля с матричным преобразователем

 

Устройство электромагнитного контроля пространственных перемещений с параметрическим матричным преобразователем относится к автоматике и может использоваться для электромагнитного контроля неэлектрических величин по сигналам, полученным от взаимодействия изделий сложной формы с электромагнитными полями, например для бесконтактного измерения с большими начальными зазорами взаимного положения рельсов железнодорожной колеи относительно колес двигающегося вагона-лаборатории.

Устройство включает в себя несколько параметрических вихретоковых преобразователей, выполненных одинаковой намоткой проводников на пластинчатые магнитопроводы. Матричная компоновка и синфазное возбуждение вихретоковых преобразователей, позволяющие создать общее электромагнитное поле, обеспечивают контроль в широком диапазоне изменения геометрических параметров. Методика измерения перемещений и геометрических параметров объектов контроля основана на селекции контролируемых факторов с помощью цифровой обработки измерительных сигналов.

2 ил.

Полезная модель относится к автоматике и может использоваться для электромагнитного контроля неэлектрических величин по сигналам, полученным от взаимодействия изделий сложной формы с электромагнитными полями, например для бесконтактного измерения с большими начальными зазорами взаимного положения рельсов железнодорожной колеи относительно колес двигающегося вагона-лаборатории.

Известно устройство для контроля пространственных перемещений, содержащее высокочастотный генератор, блок обработки и регистрации сигналов, преобразователь перемещений, корпус которого выполнен в виде куба из электропроводящего немагнитного материала, в пазах на смежных гранях которого взаимно ортогонально размещены чувствительные элементы в виде катушек индуктивности, выполненных одинаковыми и намотанными на плоском магнитопроводе с размерами lм>b м>dм. Глубина установочных пазов корпуса равна толщине dм магнитопровода. [Патент РФ №1772600, кл. G01В 7/00, 1992 г.].

Данное устройство не позволяет при одностороннем доступе и больших зазорах определить пространственные компоненты перемещений железнодорожного рельса с высокой разрешающей способностью, так как невозможно по ширине рельса установить большое количество указанных устройств.

Известно устройство вихретокового неразрушающего контроля поверхности материалов конструктивных элементов [Патент РФ № G01N 27/90, №2072519, 1997 г.], содержащее гибкую подложку с матрицей компланарных вихретоковых преобразователей. Оси матрицы вихретоковых

преобразователей ориентированы перпендикулярно или параллельно поверхности подложки.

Реализованы с минимальным взаимным влиянием полей соседних преобразователей, т.е. с большими расстояниями между преобразователями, что ограничивает их количество над поверхностью рельса и уменьшает разрешающую способность устройства к влияющим факторам.

Прототипом заявляемой полезной модели является устройство электромагнитного контроля перемещений двух объектов относительно друг друга, содержащее два параметрических вихретоковых преобразователя, обмотки которых зашунтированы конденсаторами, источник постоянного напряжения, тактовый генератор импульсов, два управляемых электронных ключа, управляющие входы которых подключены к выходу генератора импульсов, а силовые входы - к начальным выводам обмоток вихретоковых преобразователей, а другие выводы обмоток объединены и подключены к стабилизированному источнику постоянного напряжения. Начальные выводы обмоток рабочего и компенсационного преобразователей дополнительно связаны с входами рабочего и компенсационного компараторов, на вторые входы которых подано постоянное напряжение. Выходы компараторов соединены с входами логического блока, выход которого связан с индикатором постоянной составляющей выходного напряжения. [Патент РФ №1803851, кл. G01N 27/90, 1993 г.].

Необходима жесткая пространственная ориентация большого количества указанных устройств для реализации многофакторного контроля взаимного положения колес и рельсов железнодорожной колеи. Бесконтактный надежный контроль при повышенных зазорах h безопасности работы требует больших эквивалентных диаметров вихревых токов и больших размеров первичных преобразователей, что не позволяет

разместить большое их количество над поверхностью рельса и реализовать многофакторный контроль.

Поставлена задача повышения разрешающей способности бесконтактного определения линейных и угловых перемещений рельсов железнодорожной колеи относительно колеса при одностороннем доступе и повышенных начальных зазорах h безопасности между чувствительными элементами и объектом контроля.

Решение поставленной задачи достигается тем, что устройство электромагнитного контроля пространственных перемещений рельса, содержит несколько параметрических вихретоковых преобразователей, выполненных одинаковой намоткой проводников на пластинчатые магнитопроводы с размерами lм>bм>dм и установленных на поверхности плоского металлического немагнитного корпуса;

количество nраб катушек рабочих преобразователей, реализованных с одинаковым направлением возбуждающих токов проводников и с сильной индуктивной связью определяется по формуле nраб=(b r+hут)/bм, где br - ширина рельса, h ут - диапазон перемещения колеса поперек рельса, h=bм - ширина одиночного преобразователя, nраб+1 электронных ключей, управляющие входы которых объединены и подключены к выходу генератора тактовых импульсов, общая точка соединения концов проводников всех обмоток преобразователей подключена к источнику постоянного напряжения, а начало проводников всех катушек автономно связаны с отдельными ключами и nраб+1 компараторами логического блока формирования выходных напряжений, поступающих на ЭВМ для обработки, выделения факторов и хранения информации.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства, а на фиг.2 - зависимости выходных напряжений преобразователей, в единицах кода АЦП, от влияния поперечных горизонтальных hy составляющих

перемещений корпуса первичных преобразователей относительно рельса.

Устройство электромагнитного контроля положения рельсов относительно колеса содержит задающий тактовый генератор 1 прямоугольных импульсов, плату электронных ключей 2, количество nраб+1 которых определяется суммой n раб рабочих преобразователей 3 с общим электромагнитным полем и одной автономной компенсационной катушки 4, установленных на поверхности немагнитного металлического корпуса 5. Обмотки преобразователей зашунтированы конденсаторами (не показаны). Общая точка соединения концов обмоток 3 и 4 подключена к источнику 6 постоянного напряжения. Начала каждой из обмоток 3 и 4 связаны с автономными ключами платы 2 и логическим блоком 7 формирователей выходных напряжений, поступающих на ЭВМ 8 для обработки, выделения факторов и хранения информации.

Устройство работает следующим образом.

Два корпуса 5 первичных преобразователей устанавливают в пространстве между колесами над головками рельсов железнодорожной колеи. Ввиду того, что ширина железнодорожной колеи превышает расстояние между ребордами колесной пары, то при движении вагона по направлению Х со скоростью Vx корпуса 5 первичных преобразователей одновременно могут перемещаться на расстояние hут по поперечному направлению Y. При этом ширина bш корпуса 5 первичных преобразователей должна быть больше bш>b r+hут суммы ширины b r рельса и диапазона hут поперечных перемещений, а для надежной работы при движении вагона лаборатории реализуется bш меньше ширины колеса вагона.

Длина lм магнитопровода катушки, устанавливаемого вдоль длины рельса, определяет дальнодействие возбуждающего электромагнитного поля преобразователя. Длина рельса намного превышает l м, а потому легко реализуется повышенный диапазон h контролируемых зазоров

между поверхностями рельса и преобразователей. Уменьшение ширины bм магнитопровода с катушкой увеличивает количество n раб первичных преобразователей над поверхностью катания рельса и разрешающую способность многофакторного контроля. Так преобразователи, находящиеся над серединой рельса 9, удалены от краев рельса и имеют доминирующую чувствительность к вертикальным hz перемещениям. Крайние преобразователи, расположенные вблизи краев рельса, чувствительны к b r, hz и hy. Установка промежуточных преобразователей позволяет дополнительно контролировать влияние угловых отклонений x поверхностей катания рельса и колеса, так как этот фактор определяет динамику износа профиля рельса. Угловое положение можно определить по формуле:

,

где hzпл, h zпп - зазоры правого и левого промежуточных преобразователей, b - расстояние между ними вдоль оси Y.

Одновременная коммутация всех (nраб+1) цепей питания катушек преобразователей от источника постоянного напряжения приводит к синфазным колебательным переходным процессам, создающим общее высокочастотное возбуждающее поле всех преобразователей, позволяющее работать при повышенных зазорах безопасности. При этом на поверхности катания рельса наводится единый восьмеркообразный контур вихревых токов, основное русло которого направлено по оси Y, т.е. поперек рельса.

Индуктивность L преобразователей резонансного LC-контура зависит от суммарной напряженности магнитного поля и рабочего сечения магнитного потока каждого преобразователя. Автономный преобразователь имеет трехмерное возбуждающее поле и значительное рабочее сечение магнитного потока. Сближение преобразователей с одинаковым направлением токов усиливает результирующую напряженность поля,

но одновременно уменьшает рабочее сечение магнитного потока каждого преобразователя, что приводит к уменьшению начальных индуктивностей средних относительно крайних преобразователей, и требует подбора номиналов конденсаторов для получения одинаковых периодов колебаний всех LC контуров при больших удалениях от рельса.

Выходное напряжение с каждого измерительного канала определяется разностью полупериодов , где Uэт - напряжение источника питания 6; Ts - период, задаваемый генератором 1; T=Tкр, Т к, Тр - периоды колебаний LC-контуров с рабочими и компенсационным преобразователями.

Увеличение nраб расширяет функциональные возможности устройства и позволяет учитывать особенности профиля рельса. Однако уменьшение bм ограничено начальным зазором h безопасности, так как при малых bм два соседних преобразователя будут иметь близкие характеристики выходных напряжений (фиг.2), что приводит к увеличению погрешностей обработки сигналов при оценке факторов. Таким образом, в предложенной полезной модели используется пространственная селекция информативных составляющих.

Вектор выходных напряжений Ui=f(hz, h y, br, x), поступает в ЭВМ для последующей обработки. В режиме градуировки создается обучающая выборка напряжений при вариации в заданном диапазоне всех контролируемых факторов, в которой шаг дискретизации факторного пространства определяется из условия допустимой погрешности нелинейности. Основные влияющие факторы hz, hy и br, x определяются путем решения системы уравнений, которая в матричной форме может быть представлена как:

где - вектор отклонения сигнальной точки факторного пространства от базовой точки A; - вектор напряжений точки А факторного пространства; - матрица, характеризующая чувствительность ПН к каждому из факторов.

Односторонний доступ к зоне бесконтактного контроля и повышенные начальные зазоры повышают надежность работы и быстродействие устройств, а принцип многоканальности позволяет снизить погрешности от взаимного влияния контролируемых факторов и расширить функциональные возможности средств электромагнитного контроля.

Устройство электромагнитного контроля пространственных перемещений и геометрии рельса, содержащее параметрические вихретоковые преобразователи, выполненные одинаковыми и намотанными на плоском магнитопроводе с размерами lм>>b м>>dм, источник постоянного напряжения, генератор импульсов, управляемые электронные ключи, управляющие входы которых подключены к выходу генератора импульсов, а силовые входы - к началам обмоток чувствительных элементов и компараторам логического блока формирования выходных напряжений, поступающих на вход ЭВМ для обработки, выделения факторов и хранения информации, отличающееся тем, что вихретоковый преобразователь состоит из нескольких катушек, устанавливаемых в пазах на рабочей поверхности проводящего корпуса с одинаковыми направлениями возбуждающих токов и сильной индуктивной связью, количество которых n раб определяется по формуле nраб=(b r+hут)/bм, где br - ширина рельса, h ут - диапазон перемещения колеса поперек рельса, h=bм - ширина рельса, общая точка соединения концов всех катушек чувствительных элементов подключена к источнику постоянного напряжения, а концы катушек автономно связаны с отдельными ключами и компараторами блока формирования выходных напряжений, поступающих на ЭВМ для обработки, выделения факторов и хранения информации.



 

Похожие патенты:

Фотоэлектрический преобразователь линейных и угловых перемещений относится к информационно-измерительной технике и может быть использована для бесконтактного измерения перемещений и длин протяженных изделий и скорости их перемещения методом магнитных меток.

Полезная модель относится к вычислительной технике, в частности, к выполнению работ по созданию инновационных продуктов в процессе проведения научно-исследовательских или опытно-конструкторских работ

Изобретение относится к морскому навигационному приборостроению и может быть использовано в системах управления подводными аппаратами
Наверх