Электромагнитный дифференциальный датчик

Электромагнитный дифференциальный датчик

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

А1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (1% 01) (50 4 В 23 К 9/10

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

4

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3859939/25-.27 (22) 25. 12 ° 84 (46) 30.05.86. Бюл. В 20 (71) Уральский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт им. С. М. Кирова (72) В.П. Мокрецов, И.П. Никонов и Ю.Н. Чесноков (53) 621.791.75(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР Н 867550, кл. В 23 К 9/ 10, 1981.

Авторское свидетельство СССР

У 872097, кл. В 23 К 9/10, 1981, Авторское свидетельство СССР

В 899295, кл. В 23 К 9/10, 1982. (54) (57) 1. ЭЛЕКТРОИАГНИТНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЬЙ ДАТЧИК параметров сварочного стыка, содержащий намагничивающую катушку индуктивности и четыре индикаторные катушки индуктивности, отличающийся тем, что, с целью повышения точности датчика и расширения функциональных возможностей, в. датчик введены первый, второй, третий и четвертый линейные детекторы, два .блока смещения нуля, два корректора чувствительности, запоминающее устройство, сумматор, вычитающий блок и вычислитель высоты сварочной головки, а намагничивающая и индикаторные катушки индуктивности выполнены в виде воздушного трансформатора, в котором оси всех катушек парал.лельны, индикаторные катушки индуктивнбсти расположены внутри намагничивающей катушки индуктивности со сторо. ны ее торцовой поверхности, обращенной к. стыковому соединению, симметрично относительно оси намагничивающей катушки в плоскости, перпендику лярной стыку и проходящей через ось намагничивающей катушки, причем каж-. дая индикаторная катушка индуктивности подключена к входу соответствующего линейного детектора., выходы второго и третьего линейных детекторои, входы которых соединены со средними индикаторными катушками индуктивности, соединены с входами соответственно первого и второго блоков смещения нуля, выходы которых соединены с первыми входами соответствующих корректоров чувствительности, выход первого корректора чувствительности соединен с первыми входами сумматора и вычитающего блока, вторые входы которых g . подключены к выходу второго корректора чувствительности, кроме того, выходы-первого и четвертого линейных детекторов, входы которых соединены с крайними индикаторными катушками индуктивности, соединены с входами запоминающего устройства, выход первого,линейного детектора соединен с первым входом вычислителя высоты сварочной головки и с вторыми входами первых блока смещения нуля и корректора чувствительности, выход четвертого щинейногодетектора соединен с вторыми входами вычислителя высоты сварочной головки, второго блока смещения нуля и второго корректора чувствительности, выход запоминающего устройства соединен с третьими входами блоков смещения нуля, корректоров чувствительности и вычислителя высоты сварочной головки.

2. Датчик по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что блок смещения нуля содержит два аналоговых перемножителя, три аттенюатора, один сумматор-вычитатель с двумя суммирующими

1234101 и тремя вычитающими входами, выход которого является выходом блока смефения нуля, причем первый вход первого аналогового перемножителя является третьим входом блока смещения нуля, второй вход первого аналогового перемиожителя, являющийся вторым входом блока смещения нуля, соединен с первым i,û÷èòàþùèì входом сумматоравычитателя и через первый аттенюаторс вторым вычитающим входом сумматоравычитателя, а также с двумя входами второго аналогового перемножителя, выход которого через второй аттенюа" тор соединен с первым суммирующим входом сумматора-вычитателя, второй суммирующий вхоц которого является первым входом блока смещения нуля, кроме того, выход первого аналогового перемиожителя через третий аттенюатор соединен с третьим вычитающим входом сумматора-вычитателя.

3. Датчик по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что корректор чувст вительности содержит два аналоговых. перемножителя, вычитатель, три аттеИзобретение относится к автоматическому управлению процессом дуговой сварки и может быть использовано в аппаратах автоматического регулирования параметров режима сварки в зависимости от ширины зазора между кромI хами стыкового соединения, автоматического направления электрода вдоль стыка и расположения сварочного. инструмента по высоте. 10

Целью изобретения является повышение точности датчика и расширение функциональных воэможностей датчика за счет увеличения числа измеряемых параметров датчиком. 15

На фиг. 1 изображена конструктивная схема воздушного трансформатора датчика; иа фиг. 2 — блок-схема .предлагаемого электромагнитного дифференциального датчика; на фиг. 3 — блок- 20 схемы блока смещения нуля, корректора чувствительности и вычислителя высоты сварочной головки над стыком; на фиг. 4-7 — зависимости паранюатора, сумматор, причем входы вычитателя являются вторым и третьим входами корректора чувствительности, выход вычитателя соединен с входами первого аналогового перемножителя и через первый аттенюатор — с первым входом сумматора, второй вход которого через второй аттенюатор соединен с выходом вычитателя, третий вход через третий аттенюатор — с источником питания, а выход — с первым входом второго аналогового перемножителя, выход которого является выходом корректора чувствительности, а второй вход — первым входом последнего. .4. Датчик по п. 1, о т л и ч а ю— шийся тем, что вычислитель высоты сварочной головки содержит сумматор-вычитатель и два аттенюатора, причем первый и второй входы вычислителя высоты через аттенюаторы соединены .с суммирующими входами сумматоравычитателя, выход которого является выходом вычислителя высоты сварочной головки, а вычитающий вход — третьим входом последнего. метров. индикаторных катушек, определяющие вьптолнение блоков датчика.

Воздушный трансформатор датчика состоит из каркаса 1, намагничивающей катушки индуктивности 2, четырех индикаторных катушек 3-6. Индикаторные катушки индуктивности расположены в ряд вдоль поперечной оси симметрии в пределах внутреннего диаметра намагничивающей катушки индуктивности со стороны ее торцовой поверхности, обращенной к стыку свариваемых деталей 7 и 8. Оси всех катушек индуктивности параллельны.

Датчик {фиг.2) состоит из намагничивающей катушки индуктивности 2, индикаторных катушек индуктивности 3-6, размещенных на каркасе 1, генератора

9 высокой частоты, четырех линейных детекторов 10-13, запоминающего устройства 14 двух блоков смещения нуля 15 и 16, двух корректоров чувствительности 17 и 18, сумматора 19, вычитающего блока 20, вычислителя 21 з 12 высоты сварочной головки. Намагничивающая катушка подключена к генера.тору высокой частоты.,Индикаторные катушки соединены с входами соответствующих линейных детекторов. Выходы линейных детекторов 11 и 12 соединены с входами соответствующих блоков смещения нуля 15 н 16, выходы которьж соединены с входами корректоров чувствительности 17 и 18. Выходы линейных детекторов 10 и 13 соединены с входами запоминающего устройства

14 и с вторыми входами блоков смещения нуля и корректоров чувствительности, а также с входами вычислителя

21 высоты сварочной головки. Выход запоминающего устройства 14 соединен с третьими входами блоков смещения нуля 15 и 16, корректоров чувствительности 17, 18 и вычислителя 21 высоты

2 сварочной головки. Выходы корректоров чувствительности соединены с входами сумматора 19 и вычитающего блока 20.

Блок смещения нуля (фиг.3 а) сос25 тоит из двух аналоговых перемножителей 22, 23, трех аттенюаторов 2426, сумматора-вычитателя 27 с тремя вычитающими и двумя суммирующими входами. Один из входов первого аналогового перемножителя 22 является

30 третьим общим входом блока смещения нуля, а другой вход - вторым общим входом блока смещения нуля.

Один из суммирующих входов сумматора-вычитателя.27 является первым общим входом блока смещения нуля.

Выход сумматора-вычитателя 27 является общим вьжодом блока смещения нуля.

Корректор чувствительности

46 (фиг.3 б) состоит из двух аналоговых перемнажителей 28, 29, вычитателя 30, трех аттенюаторов. 31-33 и сумматора 34. Второй и третий входы корректора чувствительности являют- 45 ся входами вычитателя 30. Третий суммирующий вход сумматора 34-через аттенюатор 32 соединен с источником питания. Один из входов аналогового перемножителя 28 является первым вхо-5О дом корректора чувствительности,. а выход — выходом этого корректора.

Вычислитель высоты сварочной головки (фиг.3 в) состоит из двух аттенюаторов 35, 36 и сумматоравычитателя 37. Первый вход вычислителя высоты сварочной головки через первый аттенюатор 35 соединен с пер34101 4 вым суммирующим входом сумматора-вычитателя 37. Второй вход вычислителя через аттенюатор 36 соединен с вторым суммирующим входом сумматора1 вычитателя 37. Третий вход вычислителя высоты сварочной головки — это непосредственно вычитающий .вход сумматора-вычитателя 37. Выход сумматора-вычитателя является выходом вычислителя высо:ы,варочной головки. .Расстояние 6 мех ду осями средних индикаторных катушек (фиг. 1) выбрано

Ф равным среднему значению 4 зазора в стыке сварочног шва, а расстояние В„

5 между осями крайних индикаторных катушек выбрано равным oC(6 + d ), где ь| = 1, 2-1, 5 — коэффициент, учитывающий раснор силовых магнитных линий в воздушном зазоре между катушкой и

О деталью стыка, à о1„ — наружный диаметр индикаторньж катушек. Благодаря выбору таких значений межосевых расстояний 8 и В„ сигналы с крайних индикаторных катушек индуктивности пропорциональны только высоте их распо" ложения над деталями стыка и не завит сят от зазора в стыке, а сигналы .со средних индикаторных катушек индуктивности являются функцией как высо" ты расположения этих катушек над деталями стыка, так и текущего значения зазора 6

Устройство работает следующим образом.

При протекании через намагничивающую катушку индуктивности 2 токов высокой частоты от генератора 9 создается высокочастотный магнитный поток, определяемый магнитодвижущей силой 1„ 1 катушки индуктивности 2 (где 1 — ; оЭ вЂ” число витков катушки). Под воздействием этого потока в свариваемых деталях 7 и 8 (фиг.1) наводятся вихревые токи, магнитный поток которых направ-. лен в противоположном направлении по отношению к потоку, создаваемому катушкой индуктивности 2. Причем зна-. чение вихревых токов и их магнитного потока зависит от высоты расположения воздушного трансформатора над свариваемыми деталями и от илощщ и воздушного участка стыка. Наводимая на индикаторньж катушках индуктивности ЗДС пропорциональна суммарному магнитному потоку локальных эон, расположенных вдоль узкой полосы, перпендикулярной кромкам деталей стыка.

1234101

В зонах расположения крайних индикаторных катушек 3 и 6 суммарный магнитный потокопределяется только высотами h5 и !! расположения кату шек над деталями стыка. В зонах расположения, средних индикаторных катушек 4 и 5 суммарный поток определяется высо, ами Ь„и Ь и площадью перекрытия торца йидикаториой катушки ин- !О дуктивности кромкой соответствующей детали стыка, пропорциональной координате Х . В дальнейшем считаем

Ъ " 5 6

Зависимость ЭДС е, индикаторных !5 катушек индуктивиости от h; в случае, Полного перекрытия от торцов близка к линейной (4) е. S + е. ! М 1о °

«е -е ; пе (5) (1)

20 где S< — чувствительность ЭДС круай" них индикаторных. катушек к изменению зазора; е„ - ЭДС этих катушек при h O. . Средние индикаторные катушки 25 индуктивиости измеряют суммарный маг. нитный поток, обусловленный взаимодействием магнитного поля намагничивающей катушки и вихревых токов, наводимых s кромках деталей, образу- ЗО ющих стык. Наводимая ЭДС на среднихинднкаторных катушках зависит от степени перекрытия кромкой стыка поперечного сечения катушки и от высоты расположения катушки над кромкой, 35

Величина е.

1О дующим образом:

=ел +

1о от е

Ь зависит слееь- еь. ьЛ

2 (6) (7) (2 ) (3) (8) Схема устройства, преобразующего

55 сигналы е и е, выполнена таким

1 образом, что выражения (2) и (3) остаются справедливычи при изменении

h;.

При идентичности характерн ..... индикаторных катушек справедливы соотношения е40,5(е,+е):, е 05 (е„- е ), где е, е " ЭДС индикаторных катушек 4 и 5, соответствующие координатам х;кромок стьиса относительно осей катушек при заданных h ио,: где о - смещение оси стьяса относительно середины базы Ь.. Изменение Ьс для одной иэ катушек на величину

ah приводит к неидентичности харак.теристик индикаторных катушек и к нарушению равенств (2) и (3). Нростое вычитание ЭДС е — е и е — е не обеспечивает выполнения (2) и (3)

ape 4h О, так как в этом случае характеристики средних катушек имеют различную чувствительность.

Статические характеристики индикаторных катушек 4 и 5 можно аппроксимировать ломаной линией (фиг.4), которая в пределах — -"- с Х, с

2. Ъ. описывается уравнением где S - -чувствительность ЭДС средних индикаторных катушек к изменению поперечной координаты кромки стыка Х, е; — ЭДС, наводимая на индикаторных катушках при х, = О. Чувствительность определяется иэ выражения где е„ " ЭДС, катушки при h е„; — ЭДС катушки при h = h,. и х » д„ /2; с1„„ — приведенный диаметр катушки, определяемый координатами

Х пересечения уровней е> и е„; с прямой е; = 1 (Х ), угловой коэффициент которой ранен

С учетом формул (1), (5) и (6) выражение (4) приводится к виду е — е эъ е; = — - — - — —;- — -hX; + в.

S, ь; е - e„o.

+ — h +

2 1 2 или в общем вкде е; - 4, +p h, Х; + Ch. +Э, Для исследованного датчика найдены следующие параметры: е = 270 мВ; е„, = 170 мВ;

Я„ = 15 мВ/мм, с учетом которых выражения (1) и (7) преобразуются.к виду еь, < 15 h. + 170; (1 )

e. = (20-3 h )х, + 7,5 h; + 220>(7) 101 8

Зависимость k . от h приведена в

kFi табл.2 и изображена на фиг.7.

В общем случае

Кк; = h. +Gh, Й

I (15) Таким образом, при любом h1 (в допускаемых пределах) в рассмат риваемом датчике сигнал i-й средней индикаторной катушки приводится к сигналу ь е р .который йе зависит от h;, что обеспечивается изменением коэффицИентов

:К„ и .К„ „ при изменении h:(е .).

Значение величины е,, входящей в формулы, определяется в начале процесса сварки путем установки воздушного трансформатора на стью при

h О и hh = О. Полученные при этом значенИя е1, запоминаются в запоминающем устройстве 14.

Формирование коэффициенга Ф„ .

КЯ и умножение на него величины е прок исходит в корректоре чувствительнос-. ти (-17 или 18), для чего на его второй и третий входы подаются сигналы .е,. и е„ соответственно.

Для определения структуры корректора чувствительности уравнение (17) с учетом зависимости (16 ) ириводится

:к виду е — (e — e ) +

Ф

+| (e -е ) +рt ) е„. (7)

4; ho

Из (17 ) следует, что в состав корректора чувствительности входят вычитатель, формирующий разность напряжений е„.-е, аналоговый перемно1 житель1 формирующий квадрат этой разности, три аттенюатора с коэффициентами ослабления F, С и R,eóì è" тор н аналоговый перемножитель1 умножающий напряжение е„ на величину, определяемую выражением в квадратных скобках, которая формируется на выходе сумматора (фиг.3 б). (12) h С иор коР е

=С- (е, кьΠ— е„) (13)» кМ1 Х; =со11t

3 — чувствительность индикаторной катушки при Ь = О;

S< - то же, при Ь h

7 1234

Для этого необходимо скомпенсировать величину е в выражении (4), чтобы выполнилось условие e = 0 к при Х; 0 е„= е, -(1+К ) е...,. (9) где К„ р > Π— коэффициент коррекции, так как е,, < е,-., При условии e„ 0 = 7,5 Ь + 220—

-(f- к„)(15 ?,— 170) ° (10)

50 — 7 5 h- 1О к к 15 h + 17.0 (11.)

Зависимость К „., „(h,. ) для, 0+h 2 приведена в табл. 1 и изображена на фиг.5, где по оси ординат отложены величины h, и е1., однознач?ы но связанные между собой..

С погрешностью, укаэанной в табл.1, справедливы выражения

0,29 — 0,06 h, ° (f2 ) или к = 029 — 0004 (е,, — е„) (13 )

Компенсаиця величины е в предлаio гаемом датчике осуществляется блоком 36 смещения нуля (f5 или 16). На первый вход блока смещения нуля поступает сигнал е ., на второй — сигнал е ., а на третий — сигнал е

Структура блока смещения нуля:оп- З 35 ределяется выраженйем (9) с учетом . (13) ек =. е; —.е„.-Се - + е К е

+5 е. -6 е е (9 )

Из (9 ) следует, что в составе блоЮ ка смещения нуля долами быть два аналоговых перемножнтеля, формирующие сигналы е>,. и е „- е;„, три аттенюатора с коэфФициентами ослабл ния е

С, 5„, н б „, а также сумматорвычитатель с тремя вычитающими н двумя суммирующими входамн (фиг.3 а) .

Зависимость e „ (K.) нри разных

h; имеет вид, изображенный на Фиг.6.

Для достижения независимости . е„(М,) от h. необходимо сигнал е„: усилить в К „ . раз, причем выбрать и для характеристик (1 ) и (7 ), полученных на основе экспериментальных данных, справедливы выражения

К . =. 0,048 h - О, 108 ? + 1,02(16)

K = 10 (.е,, — е ) + 06) + 0,012 (е . — е ) + 0,97, имеющие погреип1ость до ЗЖ при h О.

1234101

1,0 1,5 2,0

09 175

3,0

Таблица 2

О к„% 1,0

Ы,,Х 290 с . АК„ "yX 3 0 шис,1

Сигналы еФ и е с выходов

ФФе кО5 корректоров чувствительности поступают на входы сумматора и вычитателя.

Иа выходе сумматора формируется сигнал, пропорциональный ширине d зазора стыка в соответствии .с выражением

0,5 (e„+ е оэ )p (2 )

На выходе вычитателя формируется сигнал, пропорциональный смещению о оси стыка относительно середины базы

В в соответствии с выражением

eg" 0,5 (e — е„), (3)

Из трех сигналов е, еь и на выходе вычислителя высоты 15

h() сварочной головки над стыком формируется сигнал е1, пропорциональный этой высоте, причем сигнал е„форми, руется в соответствии с формулой е = 0,5 Е(е, - е1„) + (18)

+(е -е )1, я, 0 т.е. значение е„ определяется как среднее арифметйческое разностей нап-25 ряжений. е 05 е + 05 е, —. е1 (18 ) Из (18 ),следует что в состав вычислиФ теля высоты сварочной головки входят два аттенюатора, ослабляющие сигналы ен, еь„в два раза,. и сумматор-вы читатель, суммирующйй сигналы 0,5 е

$)

0,5 е„ и вычитающий сигнал е,, 10

Техническая эффективность .предлагаемого датчика заключается в уменьшении погрешности измерения и в расширении технологических возможностей;: датчика, так как он позволяет контролировать не только положение стыка, но ширину зазора и высоту расположения сварочного инструмента над стыком.

Конструкция датчика обладает мальки габаритами, высокой чувствительностью и помехозащищенностью, локальностью измерений, возможностью измерения параметров стыка любых токопроводящих деталей, скомненсированностью погрешностей от изменения превышения кромок стыка и высоты электрода.

Та блица

0,294 0,260 0,230 . 0,201

1 а(„,X 1,4 О «О 0,5 .й

0 5 1,0 1,5. 2,0

20,0 18,5 17,0 15,5 14,0

1,081 i 17б 1,290 1,428

О 5 «О «О "О

1,4. «О «О «О

1234101

3234101

1234101

f,0

Составитель В.Ткаченко

Техред О.Сопко Корректор А.Ференц

Редактор М.Бандура

Тираж 1001 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

4. 5

Заказ 2934/ 14

113035, Москва,Ж 35, Раушская наб., д. /

П дственно-полиграФическое предприятие, r. ужгород,ул.Проектная,4

Производственно