Электромагнитный дифференциальный датчик

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН ИЮ 00 9/ 4 В ТЕНИЯ ЯэСТВУ ОРСНОМУ СОИ(21) (22) .(46) (71) ного ого Крас ннс титу(53) (56) У 86А У 87 ССС981.ССР 981.ССР982. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ИСАНИЕ ИЗ 3859939/25-.2725. 128430,05.86. Бюл, В 20УралЬский ордена ТрудоЗнамени политехническиИ. КироваВ.П. Мокрецов, И.П. НиЧесноков621. 791. 75(088. 8)Авторское свидетельств550, кл. В 23 К 9/10,торское свидетельство097, кл. В 23 К 9/10,торское свидетельство295, кл. В 23 К 9/10,(54) (57) 1. ЭЛЕКТРОИАГНИТНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЯ 3 ДАТЧИК параметров сварочного стыка, содержащий найагничивающую катушку индуктивности и четыреиндикаторные катушки индуктивности,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью повышения точности датчикаи расширения Функциональных возможностей, в. датчик введены первый, второй, третий и четвертый линейные детекторы, два .блока смещения нуля, двакорректора 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 индуктивности расположены внутри намагничивающей катушки индуктивности со стороны ее торцовой поверхности, обращенной к. стыковому соединению, симметрично относительно оси намагничивающей катушки в плоскости, перпендикулярной стыку и проходящей через осьнамагничивающей катушки, причем каж-, дая индикаторная катушка индуктивностн подключена к входу соответствующего линейного детектора, выходы второго и третьего линейных детекторов, 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 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 юцинейного . детектора соединен с вторыми входами вычислителя высоты сварочной головки, второго блока смещения нуля и второго корректора чувствительности, выхбд 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 ющ и й с я тем, что блок смещения нуля содержит два аналоговых перемножителя, три аттенюатора, один сумматор-вычитатель с двумя суммирующими1234101 и тремя вычитающими входами, выход которого является выходом блока смеЩения 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 1,ычитающим 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 ющ и й с я 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 зави" 5 симости от ширины зазора между кромхами стыкового соединения, автоматического направления электрода вдоль стыка и расположения сварочного. инструмента по высоте. 10Целью изобретения является повышение точности датчика и расширение функциональных возможностей датчика за счет увеличения числа измеряемых параметров датчиком. 15На фиг. 1 изображена конструктивная схема воздушного трансформатора датчика; иа Фиг. 2 - блок-схема .предлагаемого электромагнитного дифференциального датчика; на фиг. 3 - блок схемы блока смещения нуля, корректора чувствительности и вычислителя высоты сварочной головки над стыком; на фиг. 4"7 - зависимости пара" нюатора, 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 - щ и й с я тем, что вычислитель высоты сварочной головки содержит сумма. тор-вычитатель и два аттенюатора, причем первый и второй входы вычисли" теля 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 вьпюлнение 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 намагни.чивающей 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 21з 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 высоты2 сварочной головки, Выходы корректоров чувствительности соединены с входами сумматора 19 и вычитающего блока 20.Блок смещения нуля (фиг,З а) сос 25 тоит из двух аналоговых перемножителей 22, 23, трех аттенюаторов 24" 26, сумматора-вычитателя 27 с тремя вычитающими и двумя суммирующими входами. Один из входов первого аналогового перемножителя 22 является30 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 чувствительности46 (фиг.З б) состоит из двух аналоговыхперемножителей 28, 29, вычитателя 30, трех аттенюаторов. 31-33 и сумматора 34. Второй и третий входы корректора чувствительности являют ся входами вычитателя 30. Третий суммирующий вход сумматора 34 через аттенюатор 32 соединен с источником питания, Один из входов аналогового перемножителя 28 является первым вхоО дом корректора чувствительности,. а выход - выходом этого корректора.Вьиислитель высоты сварочной головки (фиг.З в) состоит из двух аттенюаторов 35, 36 и сумматора вычитателя 37. Первый вход вычисли- теля высоты сварочной головки через первый аттенюатор 35 соединен с пер 34101 4вым суммирующим входом сумматора-вычитателя 37. Второй вход вычислителя через аттенюатор 36 соединен свторым суммирующим входом сумматоравычитателя 37. Третий вход вычислителя высоты сварочной головки - этонепосредственно вычитающий .вход сумматора-вычитателя 37, Выход сумматора-вычитателя является выходом вычислителя высо;"ы сварочной головки..Расстояние 6 мехду осями средних индикаторных катушек (фиг.1) выбрановравным среднему значенйю 6 зазора встыке сварочного шва, а расстояние В 5 между осями крайних индикаторных катушек выбрано равным о( Ь + д), гдеь = 1,2- 1,5 - коэффициент, учитывающий раснор силовых магнитных линийв воздушном зазоре между катушкой и О деталью стыка, а о 1 - наружный диаметр индикаторньж катушек. Благодарявыбору таких значений межосевых расстояний 8 и В сигналы с крайних индикаторных катушек индуктивности пропорциональны только высоте их распо"ложения над деталями стыка и не завитсят от зазора в стыке, а сигналы .сосредних индикаторных катушек индуктивностиявляются функцией как высо"ты расположения этих катушек над деталями стыка, так и текущего значения зазора 6Устройство работает следующимобразом.При протекании через намагничивающую катушку индуктивности 2 токоввысокой частоты от генератора 9 создается высокочастотный магнитный поток, определяемый магнитодвижущейсилой 1 л 1 катушки индуктивности 2(где 1 - амплитуда тока; оЭ - число витков катушки). Под воздействием этого потока в свариваемых деталях 7 и 8 (фиг.1) наводятся вихревыетоки, магнитный поток которых направ-.лен в противоположном направлении поотношению к потоку, создаваемому катушкой индуктивности 2, Причем зна-.чение вихревых токов и их магнитного потока зависит от высоты расположения воздушного трансформатора надсвариваемыми деталями и от площадивоздушного участка стыка. Наводимаяна индикаторньж катушках индуктивности ЗДС пропорциональна суммарномумагнитному потоку локальньж эон,расположенных вдоль узкой полосы,перпендикулярной кромкам деталей стыка.1234101 В зонах расположения крайних индикаторных катушек 3 и 6 суммарный магнитный потокопределяется только высотами Ь и Ь расположения кату шек над деталями стыка. В зонах расположения, средних индикаторных катушек 4 и 5 суммарный поток определяется высо,ами Ьи Ь и площадью перекрытия торца йидикаториой катушки ин дуктивности кромкой соответствующей детали стыка, пропорциональной координате Х. В дальнейшем считаем Ь Ьи Ь, Ь.Зависимость ЭДС еь, индикаторных 15 катушек индуктивиости от Ь; в случае, Полного перекрытия от торцов близка к линейной(1)20 где 81, - чувствительность ЭДС крей"них индикаторных. катушек к изменению зазора;еь - ЭДС этих катушек при Ь О, Средние индикаторные катушки 25 индуктивиости измеряют суммарный маг нитный поток, обусловленный взаимодействием магнитного поля намагничивающей катушки и вихревых токов, наводимых в кромках деталей, образу" ющих стык. Наводимая ЭДС на средних индикаторных катушках зависит от степени перекрытия кромкой стыка поперечного сечения катушки и от высоты расположения катушки над кромкой, 3 Величина е. о дующим образом: е =еь + 1 оот еЬ зависит слееь - еьее ь 3,2(3) Схема устройства, преобразующего55 сигналы е и е , выполнена таким1образом, что выражения (2) и (3)остаются справедливьвчи при измененииЬ;. При идентичности характерниндикаторных катушек справедлцвьсоотношения е 0,5 (е + е ):,ед0,5 (е еь)где е, е" ЭДС индикаторных катушек 4 и 5, соответствующие координатам м;кромок стыка относительно осей катушек при заданных Ь и 8, где о - смещение оси стыка относительно середины базы Ь,. Изменение Ь для одной из катушек на величину АЬ; 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) при 4 ЪО, 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 - фэе с Х, с АР1 ф Ъ.описывается уравнением где Я - 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 Ье; - ЭДС катушки при Ь = Ь,. и Хдр /2; д - приведенный диаметр катушки, определяемый координатами Х пересечения уровней еь и е; с прямой е, =( Х ), угловой коэффициент которой ранен С учетом формул (1), (5) и (6) вы.ражение (4) приводится к виду еь - еь эъе, = - - - - - -и;- - -Ь,Х, ++ЬХ + СЬ, +Э Для исследованного датчика найденыследующие параметры:еь = 270 мВ; е, = 170 мВ;8, = 15 мВ/мм,с учетом которых выражения (1) и (7)преобразуются.к видуеь, 15 Ь; +170; (1)е, = (20-3 Ь )Х, + 7,5 Ь, + 220,(7 ф)- е) (13) И иликф = 0,29 - 0,004 (е, - е)(13)Компенсаиця величины е в предлаю гаемом датчике осуществляется блоком 36 смещения нуля (15 или 16). На первый вход блока смещения нуля поступает сигнал е, , на второй - сигнал е а на третий - сигнал еСтруктура блока смещения нуля:оп- З35 ределяется выраженйем (9) с учетом . (13)ек=е; -е.-Се. +ее1+5 е. -6 е ек ь, ь., (9 )Из (9 ) следует, что в составе блоЮ ка смещения нуля долющ быть два аналоговых перемножнтеля, формирующие сигналы е 11. и е - е 1 1 три аттенэатора с коэФФициентами ослабленияь еС, 5 к н 5, а также сумматор- ф 5 вычитатель с тремя вычитающими н двумя суммирующими входами (фиг.З а).Зависимость е(Х.) при разных Ь; имеет вид, изображенный на Фиг.б.для достижения независимости . . 5 б е( М,) от Ь. необходимо сигнал е: усилить в К, раз, причем выбрать"К 1 Х; =СО 11 55 3 - чувствительность индикаторной катушки при Ь = О;3; " то же, при ЬЬ,. 7 1234Для этого необходимо скомпенсировать величину е в выражении (4),чтобы выполнилось условие е = 0кпри Х;0е= е, -(1+ К ) е 1,;, (9)где К0 - коэффициент коррекции,так как е с еПри условии е0 = 7,5 Ь + 220 -, 06 Ь2 приведена в табл, 1 и изображена на Фиг.5, где по оси ординатотложены величины Ь, и е 1. 1 однозначЪ 1но связанные между собойС погрешиостью 1 укаэанной в табл.1,справедливы выражения(15) и для характеристик (1 ) и (7 ), полученных на основе экспериментальныхданных, справедливы выражения К , =. 0,048 ЬО, 108 Ь + 1,02( 16) К =10 (.е -е ) + 06)+ 0,012 (е . - е ) + 0,97,имеющие погреид 1 ость до ЗХ при ЬО. Таким образом, при любом Ь.1 (в допускаемых пределах) в рассмат риваемом датчике сигнал 1-й средней индикаторной катуюки приводится к сигналуе ркоторый йе зависит от Ь;, что обеспечивается изменением коэффицоентов к и.копри изменении Ь: (.е .).ьЗначение величины е , входящей в Формулы, определяется в начале процесса сварки путем установки воздуаного трансформатора на стьвс ври ЬО и ЬЬ = О. Полученные при этом значенИя е 1 запоминаются в запоминающем устройстве 14.Формирование коэффициента ВК 3 и умножение на него величины е прок исходит в корректоре чувствительиос". 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) приводится :к видуее," =1 Е (е, - е) +Ф(17 )Ь; ЬоИз (17) следует, что в состав корректора чувствительности входят вычитатеЛь 1 Формирующий разность напряжений е.-е , аналоговый перемно 1житель 1 формирующий квадрат этой разности, три аттенюатора с коэффициентами ослабления Г 1 С и К 1 сумма" тор н аналоговый перемножитель 1 умножающий напряжение е на величину, определяемую выражением в квадратных скобках, которая формируется на выходе сумматора (фиг.3 б).1234101 МЮФ4ЕО, 294й Таблица 2 0 к% 1 кО рй 2,0фак ,3 З,О Сигналы еи е с выходов103 ю к 05корректоров чувствительности поступают на входы сумматора и вычитателя, Иа выходе сумматора Формируется сигнал, пропорциональный ширине Ь зазора стыка в соответствии .с выражени- ем е= 0,5 (е+ е,оэ ), (2 )На выходе вычитателя Формируется сигнал, пропорциональный смещению 8 10 оси стыка относительно середины базы В в соответствии с выражениеме 05 (е - е), (3)Из трех сигналов е, , еь ина выходе. вычислителя высоты 15 Ьосварочной головки над стыком формируется сигнал е пропорциональный этой высоте, причем .сигнал еформи" , руется в соответствии с формулой е = 0,5 е- еф) + (18)+(е -е ),6 0т,е. значение е определяется каксреднее ариФметйческое разностей нап ряжений.е05 е+05 е, - .е (18) Йз (18),следует что в состав вычислиФтеля высоты сварочной головки входят два аттенюатора, ослабляющие сигналы ен , е н в два раза, и сумматор-вычитатель суммирующйй сигналы 0,5 е 1) 0,5 е и вычитающий сигнал е 1 ОТехническая 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.1Таблица Ь О 0,5 1,0 1,5 2,0 Ое 260 Оэ 230 . Ое 201 Оф 175 ф О 0 0,5 З,О Оф 5 1 юО 1152 ФО 5 20,0 18,5 17)0 15,5 34,0 1,081 1,17 б 1,290 1,428 05 0 О, "0 1,4, О 0 023401 У,ЛФ 08. 7 Составитель В.Ткаченкотор М.Бандура Техред О.Сопко Корректор А еренц Заказ 2934/ Ужгород, ул. Проектная, 4 раФическое предпр Производственно-поли Тираж 001 Государственного ко елам изобретений и о Москва,Ж, Раушска ВНИИПИ по 313035