УСТРОЙСТВО ДЛЯ МНОГОПАРАМЕТРОВОГО КОНТРОЛЯ ОБЪЕКТОВ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК B61K9/00 B61K9/10 B61K9/12 

Изобретение относится к железнодорожной автомашине, в частности к системам измерения, контроля и диагностики, и может быть использовано в устройствах для бесконтактного контроля геометрических параметров верхнего строения пути и ходовых частей подвижного состава.

Известны вихретоковые устройства для многопараметрового контроля объектов, содержащие генератор, коммутатор, матричный вихретоковый преобразователь, состоящий из ортогонально расположенных в одной плоскости n генераторных и m измерительных катушек индуктивности, выполненных в виде плоских линеек, образующих матрицу из n x m чувствительных секций, интерфейс, вычислительную машину и схему управления в виде формирователя сигналов (SV, авт. св. 1252751, кл. G 01 N 27/90, 1986).

Однако в нем при запитке через коммутатор очередной генераторной катушки в виде линейки, пересекающей измерительные катушки, ЭДС наводится (при наличии объекта контроля) одновременно в нескольких секциях матрицы, связанных электромагнитно между собой. На электромагнитное взаимовлияние секций матрицы затрачивается энергия, потери которой зависят от физикомеханического состояния объекта, от параметров секций матрицы и режима контроля.

Известны также вихретоковые устройства для контроля объектов, содержащие вихретоковый преобразователь, электрический калибратор, выполненный в виде компенсационной катушки индуктивности электрически связанной с измерительной катушкой, размещенный внутри преобразователя, и схему компенсации (SU, авт. св. 1355921, кл. G 01 N 27/90, 1987).

В данном устройстве не предусмотрены средства поверки выходных характеристик, что снижает достоверность и точность контроля.

Наиболее близким по сущности к заявляемому техническому решению является вихретоковое устройство для многопараметрового контроля объектов, содержащее генератор, матричный вихретоковый преобразователь, включающий магнитопровод и рядом с ним расположенные многосекционные катушки индуктивности, набор программно управляемых коммутаторов, выполняющих функции преобразования сигналов взаимодействия матричного преобразователя с натурными образцами нормированных параметров, интерфейс и вычислительную машину, входом связанную через интерфейс с выходами матричного преобразователя, а выходами с входами коммутаторов (SU, авт. св. кл. 1589195, G 01 N 27/90, 1990).

Однако в нем перед очередным процессом измерения требуется формирование функции преобразования устройства за счет вариации электрических параметров катушек матричного преобразователя в режиме его взаимодействия с натурными образцами, что достигается изменением схем соединения секций катушек и рабочих частот генератора.

Кроме того, это устройство пригодно для работы лишь в метеоусловиях с постоянными термодинамическими показателями (температура, давление и др.), так как материал магнитопровода матричного преобразователя очень чувствителен к их колебаниям. Например, изменение температуры среды на 1^oC вызывает изменение магнитной проницаемости материала магнитопровода до 0,5% что вызывает изменение электрических параметров секций матрицы, поэтому точность контроля устройства зависит от динамики метеопараметров.

Техническим результатом изобретения является обеспечение высоких метрологических показателей выходных характеристик устройства при контроле многопараметровых объектов и локализации зоны контроля в заданном направлении за счет автоматизированной самодиагностики устройства перед каждым процессом измерения.

Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что в устройстве для многопараметрового контроля объектов, содержащем генератор, коммутатор, матричный вихретоковый преобразователь, выполненный в виде двух плоских, идентичных восьмеркообразных катушек индуктивности, электрический калибратор, представляющий собой катушку индуктивности, размещенную в преобразователе концентрично матрице и связанную с ней индуктивно, интерфейс, процессорный узел обработки и регистрации информации, выполненный с возможностью формирования управляющих сигналов, формирователь сигналов имитации взаимодействия матричного преобразователя и объекта контроля с нормированными параметрами, соединенный выходом с калибратором, а входами с выходом процессорного узла, матричный преобразователь подключен входами через коммутатор к генератору, а выходами через интерфейс к входу процессорного узла, формирователь сигналов выполнен в виде имитационных цепей, включенных параллельно, каждая из которых включает в себя усилительный элемент, выполненный на полевом транзисторе с конденсатором в выходной цепи, при этом входы усилительных элементов являются входами формирователя сигналов, причем число имитационных цепей выбрано не менее числа параметров, измеряемых матричным преобразователем, а катушки индуктивности совмещены своими геометрическими центрами с осью симметрии, перпендикулярной плоскости преобразователя и повернуты вокруг этой оси относительно друг друга на угол 90, при этом каждая секция восьмеркообразных катушек снабжена автономными входами и выходами.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства; на фиг. 2 - принципиальная схема формирователя сигналов; на фиг. 3-6 фрагменты размещения восьмеркообразных катушек в матрице преобразователя.

Устройство содержит генератор 1, коммутатор 2, матричный вихретоковой преобразователь 3, электрический калибратор 4, интерфейс 5, процессорный узел 6 обработки и регистрации информации, выполненный с возможностью формирования управляющих сигналов, формирователь 7 сигналов имитации взаимодействия матричного преобразователя 3 и объекта контроля с нормированными параметрами.

Входы секций 8-11 катушек матричного преобразователя 3 соединены через коммутатор 2 с генератором 1, а выходы через интерфейс 5 с процессорным узлом 6, выход которого подключен к входам формирователя 7 сигналов, выходом соединенного с электрическим калибратором 6.

Коммутатор 2 предназначен для устранения электромагнитного взаимовлияния секций 8-11 катушек матрицы преобразователя 3, что достигается поочередным подключением каждой секции 8-11 к генератору 1 на время, определяемое частотой коммутации. Коммутатор 2 управляется опорным напряжением от тактового генератора (не показано).

Матричный вихретоковый преобразователь 3 выполнен в виде двух плоских, идентичных катушек индуктивности восьмеркообразной намотки, совмещенных своим геометрическими центрами с осью симметрии преобразователя 3 и повернутых относительно друг друга вокруг оси симметрии преобразователя 3 на угол 90^o. Секции 8-11 восьмеркообразных катушек имеют автономные входы и выходы.

Электрический калибратор 4 представляет собой катушку индуктивности и размещен концентрично матрице преобразователя 3 со стороны, противоположной его рабочей зоне, и связан с секциями 8-11 катушек матрицы преобразователя 3 индуктивно.

Информационными выходами устройства являются выходы процессорного узла 6 на "n" измеряемых параметров. Программное обеспечение процессорного узла 6 содержит информационно-справочные данные взаимодействия матричного преобразователя 3 с натурными образцами нормированных параметров в диапазоне от проектных (эталонных) значений до значений предельно-допустимых отклонений.

Формирователь 7 сигналов выполнен в виде имитационных параллельно включенных цепей, каждая из которых состоит из усилительного элемента на полевом транзисторе 12 с конденсатором 13 в выходной цепи, при этом управляющие входы полевых транзисторов 12 являются входами формирователя 7. Количество имитационных цепей выбрано не менее числа "n" параметров, измеряемых матричным преобразователем 3. Имитационные цепи формирователя 7 сигналов представляют собой комплексные нагрузки для калибратора 4, состоящие из активных и реактивных сопротивлений R, X. Функции активного сопротивления выполняют полевые транзисторы 12, а функции реактивного сопротивления конденсаторы 13.

Изменение номиналов активных и реактивных сопротивлений R, X обеспечивается изменением напряжений на затворе полевого транзистора 12 усилительного элемента формирователя 7. Эти напряжения подаются программно с процессорного узла 6 в соответствии с данными взаимодействия матричного преобразователя 3 с натурными образцами нормированных параметров. Диапазон изменения управляющих напряжений позволяет обеспечить через формирователь 7 изменение комплексного сопротивления калибратора 4 в пределах, эквивалентных пределам изменения параметров реального объекта контроля от эталонных значений до предельно-допустимых отклонений, адекватных изменению параметров натурных образцов.

Устройство работает следующим образом.

Высокочастотное напряжение генератора 1 поступает через коммутатор 2 последовательно на входы секций 8-11 катушек матрицы преобразователя 3. При протекании тока высокой частоты, например, через секцию 8 катушки матрицы вокруг секции 8 создается электромагнитное поле, которое наводит в контролируемом объекте вихревые токи. Эти токи вносят в секцию 8 активное R_вн и реактивное X_вн сопротивления, значения которых регистрируются процессорным узлом 6. Так как в процессе контроля на электрический калибратор 4 не подается никакого напряжения, то его сопротивление постоянно и он не вносит изменений сопротивлений в секцию 8 катушки матрицы преобразователя 3. Такая процедура осуществляется на каждой секции 8-11 катушек матрицы в течение времени, равным частоте коммутации.

Программно или по желанию оператора на определенную цепь, имитирующую определенный параметр, подается с выхода процессорного узла 6 управляющее напряжение в соответствии с данными взаимодействия матричного преобразователя 3 с натурным образцом, имитирующим этот определенный параметр, заложенными в программное обеспечение, что вызывает изменение электромагнитного поля калибратора 4. Электромагнитное поле калибратора 4 вносит в секции 8-11 катушек матрицы преобразователя 3 комплексное сопротивление Z_вн, описываемое выражением:

где ω круговая частота генератора 1;
M взаимоиндуктивность, определяемая конфигурацией секций 8-11 катушек матрицы преобразователя 3 и калибратора 4 и расстоянием между ними;
r_к активное сопротивление катушки калибратора 4;
L_к индуктивность катушки калибратора 4;
Z_н комплексное сопротивление нагрузки, равное

где R активное эквивалентное сопротивление нагрузки;
X реактивное эквивалентное сопротивление нагрузки.

Подставив значение Z_н из (2) в (1) и выделив активную R_вн и реактивную X_вн составляющие, получим:


Из анализа выражений (3), (4) следует, что соответствующим выбором электрических и геометрических параметров катушек матричного преобразователя 3 и калибратора 4, а также величин эквивалентных активного и реактивного сопротивлений имитационных цепей, значения которых меняются от изменения уровней напряжений, подаваемых на затворы полевых транзисторов, можно обеспечить вносимые калибратором 4 в преобразователь 3 сопротивления, соответствующие характеру и величине имитируемого параметра натурным образцом.

При отсутствии управляющих напряжений комплексные сопротивления имитационных цепей близки к бесконечности. При подаче напряжения на затвор полевого транзистора 12 одной из цепей ее комплексное сопротивление принимает величину, соответствующую значению уровня управляющего напряжения, эквивалентного величине нормированного параметра натурного образца. Меняя уровень напряжения на затворе полевого транзистора 12 в заданном диапазоне строят зависимость выходного сигнала устройства от изменения сопротивлений калибратора 4. Аналогично строят зависимости выходных сигналов устройства от других имитационных параметров путем подачи напряжений на затворы полевых транзисторов других цепей. После диагностики устройства по зависимости выходных сигналов судят о его метрологических показателях.

Проведение поверки допускается как в отсутствии объекта контроля в зоне действия матричного преобразователя 3, так и при его наличии, но в состоянии покоя (статике), при этом постоянные значения R_вн и X_вн, внесенные статическим объектом (параметрами), запоминаются и учитываются в процессорном узле 6 при формировании управляющего напряжения.

Затем устройство располагают над объектом контроля, например рельсовой нитью пути, и на процессорный узел 6 фиксируют информацию, по которой судят об измеряемых параметрах в соответствии с алгоритмом, заложенным в программу машины 6.

Использование: для многопараметрового контроля объектов путей сообщения. Сущность изобретения: устройство содержит генератор, матричный вихретоковый преобразователь параметра объекта контроля в электрический сигнал, электрический калибратор, процессорный узел обработки и регистрации информации и формирователь сигналов имитации взаимодействия матричного преобразователя и объекта контроля с нормируемыми параметрами, выполненный в виде включенных параллельно имитационных цепей, каждая из которых включает в себя выполненный на полевом транзисторе усилительный элемент, в выходную цепь которого включен конденсатор, при этом входами усилительных элементов образованы входы, а их объединенными выходами - выход упомянутого формирователя, число имитационных цепей выбрано не меньшим числа параметров контролируемых объектов, а в матричном преобразователе обе катушки индуктивности совмещены своими геометрическими центрами с осью симметрии, перпендикулярной плоскости преобразователя, и повернуты вокруг этой оси относительно друг друга на 90^o, при этом каждая секция восьмеркообразных катушек выполнена с автономными входами и выходами. 6 ил.

Устройство для многопараметрового контроля объектов путей сообщения, содержащее генератор, коммутатор, матричный вихретоковый преобразователь параметра контролируемого объекта в электрический сигнал, выполненный в виде двух плоских идентичных восьмеркообразных катушек индуктивности, электрический калибратор, представляющий собой катушку индуктивности, размещенную концентрично матрице преобразователя со стороны, противоположной зоне контроля, и связанную с ней индуктивно, интерфейс, процессорный узел обработки и регистрации информации, выполненный с возможностью формирования управляющих сигналов, и формирователь сигналов имитации взаимодействия матричного преобразователя и объекта контроля с нормируемыми параметрами, соединенный выходом с входом калибратора, а входами с выходами упомянутого процессорного узла, матричный преобразователь входами подключен через коммутатор к выходу генератора, а выходами через интерфейс к входам процессорного узла, отличающееся тем, что формирователь сигналов имитации взаимодействия матричного преобразователя и объекта контроля с нормируемыми параметрами выполнен в виде включенных параллельно имитационных цепей, каждая из которых включает в себя выполненный на полевом транзисторе усилительный элемент, в выходную цепь которого включен конденсатор, при этом входами усилительных элементов образованы входы, а их объединенными выходами выход упомянутого формирователя, число имитационных цепей выбрано не меньшим числа параметров контролируемых объектов, а в матричном преобразователе обе катушки индуктивности совмещены своими геометрическими центрами с осью симметрии, перпендикулярной плоскости преобразователя, и повернуты вокруг этой оси относительно одна другой на 90^o, при этом каждая секция восьмеркообразных катушек выполнена с автономными входами и выходами.