устройство для бесконтактного измерения мгновенных значений импульсов тока разрыва в коммутируемых секциях коллекторных электрических машин

Формула изобретения

Устройство для бесконтактного измерения мгновенных значений импульсов тока разрыва в коммутируемых секциях коллекторных электрических машин, содержащее последовательно соединенные бесконтактный индукционный датчик тока с разомкнутой магнитной системой, установленный в корпусе электрической машины над сбегающей коллекторной пластиной, между петушком и близлежащей щеткой, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, размещенный вне корпуса электрической машины на расстоянии l_k от индукционного датчика, первый аналоговый ключевой элемент, интегратор, соединенные последовательно первый амплитудный детектор, первый элемент аналоговой памяти и регулирующий элемент, выход которого подключен ко второму входу усилителя, измерительный преобразователь, компаратор, первый вход которого соединен с выходом усилителя, источник опорного напряжения, выход которого соединен со вторым входом компаратора, последовательно соединенные первый формирователь импульсов и второй аналоговый ключевой элемент, выход которого подключен к управляющему входу первого элемента аналоговой памяти, отличающееся тем, что, с целью повышения достоверности результатов измерений, в него введены соединенные последовательно первый прецизионный выпрямитель, второй амплитудный детектор, второй элемент аналоговой памяти и индикатор, причем выход интегратора соединен со входом первого прецизионного выпрямителя, второй прецизионный выпрямитель, вход которого соединен с выходом измерительного преобразователя, а выход соединен со входом первого амплитудного детектора, последовательно соединенные селектор импульсов, второй формирователь импульсов и счетчик с перестраиваемым коэффициентом пересчета, причем вход селектора импульсов подключен к выходу измерительного преобразователя, дискриминатор напряжения, вход которого соединен с выходом второго прецизионного выпрямителя, а выход соединен со входом первого формирователя импульсов и с информационным (счетным) входом счетчика с перестраиваемым коэффициентом пересчета, логический элемент И, первый вход которого соединен с выходом компаратора, а второй вход соединен с выходом счетчика, а выход подключен к управляющему входу первого аналогового ключевого элемента, последовательно соединенные блок аналоговых ключевых элементов и электронный осциллограф с памятью, второй информационный вход которого соединен с выходом интегратора счетчика с перестраиваемым коэффициентом пересчета, ключевой элемент, выход которого подключен к управляющему входу осциллографа и к управляющему входу второго элемента аналоговой памяти, а также выход подключен к шине нулевого потенциала, блок управления, первый выход которого подключен к управляющему входу счетчика, дешифратор импульсов, вход которого соединен со вторым выходом блока управления, а выход подключен к управляющему входу блока аналоговых ключевых элементов, при этом измерительный преобразователь, выполненный на базе вихретокового датчика является датчиком начального положения якоря при условии, что одна (любая) пластина коллектора покрыта слоем ферромагнитной эмульсии.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электроизмерительной технике, и может быть использовано для измерения параметров при контроле коммутации коллекторных электрических машин.

Целью изобретения является повышение достоверности результатов измерений.

Цель достигается тем, что в устройство для бесконтактного измерения мгновенных значений импульсов тока разрыва в коммутируемых секциях коллекторных электрических машин, содержащее последовательно соединенные бесконтактный индукционный датчик тока с разомкнутой магнитной системой, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, расположенный вне корпуса машины на определенном расстоянии от датчика, первый аналоговый ключевой элемент, интегратор, а также соединенные последовательно первый амплитудный детектор, первый элемент аналоговой памяти и регулирующий элемент, выход которого подключен к второму (не инвертирующему) входу усилителя, измерительный преобразователь, компаратор, первый вход которого соединен с выходом усилителя. Кроме того устройство содержит источник опорного напряжения, выход которого соединен с вторым входом компаратора, последовательно соединенные, первый формирователь импульсов и второй ключевой элемент, выход которого подключен к управляющему входу первого элемента аналоговой памяти, дополнительно введены соединенные последовательно первый прецизионный выпрямитель, второй амплитудный детектор, второй элемент аналоговой памяти и индикатор, причем выход интегратора подключен к входу первого прецизионного выпрямителя, второй прецизионный выпрямитель, вход которого соединен с выходом измерительного преобразователя, а выход соединен с входом первого амплитудного детектора, последовательно соединенные селектор импульсов, второй формирователь импульсов и счетчик с перестраиваемых коэффициентом пересчета, причем вход селектора импульсов подключен с выходом измерительного преобразователя, дискриминатор напряжения, вход которого соединен с выходом второго прецизионного выпрямителя, а выход соединен с входом первого формирователя импульсов и информационным входом счетчика с перестраиваемым коэффициентом пересчета. Введены также логический элемент И, первый вход которого соединен с выходом компаратора, второй вход которого соединен с выходом счетчика, а выход подключен к управляющему входу первого аналогового ключевого элемента, последовательно соединенные блок аналоговых ключевых элементов и электронный осциллограф с памятью, вход которого соединен с выходом интегратора, а синхронизирующий вход которого соединен с выходом счетчика с перестраиваемым коэффициентом пересчета, ключевой элемент (кнопка), выход которого подключен к управляющему входу осциллографа и к управляющему входу второго элемента аналоговой памяти, а выход подключен к шине нулевого потенциала, блок управления, первый выход которого соединен с управляющим входом счетчика, дешифратор импульсов, вход которого соединен с вторым выходом блока управления, а выход подключен к управляющему входу блока аналоговых ключевых элементов.

Измерительный преобразователь выполняет функцию датчика начального положения якоря, используя сопутствующее физическое явление при условии, что одна (любая) коллекторная пластина заблаговременно покрыта тонким слоем ферромагнитной эмульсии.

Сущность его состоит в том, что электромагнитное поле вихретокового датчика имеет неадекватный характер взаимодействия с разными материалами. Различный характер взаимодействия проявляется в виде разнополярного дрейфа фазы синусоидального сигнала, формируемого на выходе вихретокового датчика измерительного преобразователя.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для измерения мгновенных значений импульсов тока разрыва секций коллекторных электрических машин; на фиг. 2 временные диаграммы, поясняющие работу устройства для измерения импульсов тока разрыва; на фиг. 3 принципиальная схема измерительного преобразователя устройства для измерения мгновенных значений импульсов тока разрыва секций коллекторных электрических машин.

Устройство для бесконтактного измерения мгновенных значений импульсов тока разрыва в коммутируемых секциях коллекторных машин содержит последовательно соединенные бесконтактный индукционный датчик тока с разомкнутой магнитной системой 1, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления 2, расположенный вне корпуса машины на определенном расстоянии от датчика, первый аналоговый ключевой элемент 3, интегратор 4, первый прецизионный выпрямитель 5, второй амплитудный детектор 6, второй элемент аналоговой памяти 7, индикатор 8, а также последовательно соединенные измерительный преобразователь с вихретоковым индукционным датчиком 9, второй прецизионный выпрямитель 10, первый амплитудный детектор 11, первый элемент аналоговой памяти 12 и регулирующий элемент 13, выход которого подключен к второму (не инвертирующему) входу усилителя 2, а также соединенные последовательно компаратор 14 и логический элемент 15, причем первый вход компаратора соединен с выходом усилителя, а выход элемента И подключен к управляющему входу первого аналогового ключевого элемента. Устройство содержит второй аналоговый ключевой элемент 16, вход которого подключен к первому элементу аналоговой памяти, последовательно соединенные дискриминатор напряжения 17 и первый формирователь импульсов 18, соединенный последовательно с вторым аналоговым ключевым элементом, при этом вход дискриминатора соединен с выходом второго прецизионного выпрямителя. В устройство входят также последовательно соединенные селектор импульсов 19, второй формирователь импульсов 20 и счетчик с перестраиваемым коэффициентом пересчета 21, причем вход селектора импульсов соединен с выходом измерительного преобразователя, а информационный вход счетчика соединен с выходом дискриминатора напряжения, а выход счетчика соединен с вторым входом логического элемента И, блок управления 22, первый вход которого подключен к управляющему входу счетчика, дешифратор импульсов 23, вход которого соединен с вторым выходом блока управления, последовательно соединенные блок аналоговых ключевых элементов 24 и электронный осциллограф с памятью 25, первый вход которого соединен с выходом интегратора, а синхронизирующий вход соединен с выходом счетчика с перестраиваемым коэффициентом пересчета, ключевой элемент (кнопка) 26, выход которого подключен к управляющему входу осциллографа и к управляющему входу второго элемента аналоговой памяти, а выход подключен к шине нулевого потенциала, также источник опорного напряжения 27, выход которого соединен с вторым входом компаратора.

Устройство работает следующим образом. Индукционный датчик тока разрыва 1, установленный у коллектора, между петушком коллектора и близлежащей щеткой, у края щетки, ориентированного вдоль продольной оси коллектора, вне пространства, ограниченного телом щеточного бракета, над контактирующей с последней щеткой бракета коллекторной пластиной, измеряет в моменты возникновения коммутационных дуг импульсы тока разрыва, протекающие по коммутируемой секции. Сигнал (точка а) на выходе датчика 1, пропорциональный производной полного измеряемого тока, через усилитель 2 с регулируемым коэффициентом усиления поступает (точка б) одновременно на вход первого аналогового ключевого элемента 3 и на первый вход компаратора 14. На второй вход компаратора 14 от источника опорного напряжения 27 постоянно подается напряжение U_оп, величина которого определена по предварительным испытаниям. В случае, если величина сигнала на выходе усилителя 2 превышает уровень опорного напряжения U_оп, компаратор 14 формирует на своем выходе импульсный сигнал (точка в), соответствующий длительности производной тока разрыва секции. Затем этот сигнал, равный уровню логической единицы, поступает на первый вход логического элемента И 15.

Одновременно измерительный преобразователь 9, выполненный на базе вихретокового датчика, на своем выходе формирует сигналы (точка г), пропорциональные расстоянию между датчиком тока разрыва 1 и коллекторными пластинами коллектора. Причем датчик тока разрыва 1 и вихретоковый индукционный датчик измерительного преобразователя 9 конструктивно могут быть выполнены в одной изолирующей капсуле и располагаться по отношению к коллектору идентично. Также индукционный вихретоковый датчик измерительного преобразователя 9 выполняет функцию датчика начального положения якоря (коллектора) за счет использования сопутствующего физического явления, имеющего место при условии, что одна (любая) коллекторная пластина заблаговременно покрыта тонким слоем ферромагнитной эмульсии.

Сущность сопутствующего физического явления состоит в том, что электромагнитное поле, излучаемое вихретоковым датчиком измерительного преобразователя, имеет неадекватный характер взаимодействия с ферромагнитными и неферромагнитными материалами. Различный характер взаимодействия проявляется в виде разнополярного дрейфа фазы синусоидального сигнала, формируемого на выходе вихретокового датчика измерительного преобразователя 9. Таким образом, на выходе измерительного преобразователя 9 после дополнительных преобразований формируется разнополярный сигнал (точка г), включающий в себя признаки различного функционального назначения, для выполнения нескольких функций. Выделение признаков для выполнения каждой функции в отдельности происходит следующим образом.

Полный сигнал с выхода измерительного преобразователя 9 одновременно поступает через прецизионный выпрямитель 10 на вход амплитудного детектора 11 (точка д) и на вход дискриминатора 17, а также непосредственно на вход селектора импульсов 19. Согласно функции регулирования для каждой коллекторной пластины амплитудный детектор 11 и первый элемент аналоговой памяти 12 совместно формируют сигнал (точка и), который поступает на вход регулирующего элемента 13. Регулирующий элемент 13 под действием поступающего сигнала изменяет свое внутреннее сопротивление, в результате чего изменяется коэффициент усиления усилителя 2. Корректировка коэффициента усиления усилителя 2 происходит пропорционально изменению величины воздушного зазора между каждой коллекторной пластиной и датчиком тока разрыва 1 согласно сигналу, поступающему с измерительного преобразователя 9. Это позволяет стабилизировать величину выходного сигнала на входе компаратора 14 и входе (информационном) первого аналогового ключевого элемента 3.

Для идентификации измеренной величины тока разрыва с порядковым номером секции или коллекторной пластины сигнал (точка е) выхода дискриминатора 17 поступает на информационный вход счетчика с перестраиваемым коэффициентом пересчета 21, а также для синхронной работы канала регулирования усиления усилителя 2 он поступает на вход формирователя стробирующих импульсов 18. Формирователь 18 по заднему фронту поступившего сигнала формирует короткий импульсный сигнал (точка з), который затем поступает на управляющий вход второго аналогового ключевого элемента 16.

Второй аналоговый ключевой элемент 16, после каждого прохождения коллекторной пластины под датчиком тока разрыва 1 и датчиком измерительного преобразователя 9 по сигналу, сформированному формирователем 18, изменяет свое проводящее состояние, тем самым приводит первый элемент аналоговой памяти 12 в исходное состояние.

Таким образом, на выходе дискриминатора 17 подготавливается сигнал для выполнения устройством функции счета коллекторных пластин.

Далее на выходе селектора импульсов 19 по следующему признаку формируется сигнал для выполнения функции начального положения коллектора, т.е. начало отсчета. Этот сигнал поступает на вход второго формирователя 20, который по переднему фронту формирует импульсный сигнал (точка ж), соответствующий уровню логической единицы, поступающий на разрешающий вход счетчика 21. Счетчик 21, в свою очередь, при условии, что на его управляющем входе присутствует разрешающий сигнал от блока управления 22, начинает считать импульсы, поступающие на информационный вход. В рассматриваемом примере временные диаграммы приведены для случая, когда блок управления 22 сформировал сигналы управления для проведения измерений импульсов тока разрыва, относящихся к пятой пластине или к пятой секции.

В данном устройстве измерительный преобразователь участвует в выполнении одновременно следующих функций: датчика сигнала регулирования коэффициентом усиления усилителя 2, датчика сигнала для счета коллекторных пластин и датчика сигнала для определения начального положения коллектора.

В блоке управления 22 согласно заданию оператора или заданной программе формируется кодовый сигнал управления коэффициентом пересчета счетчика 21, который поступает через первый выход на управляющий вход счетчика с перестраиваемым коэффициентом пересчета 21. Одновременно с второго выхода блока управления 22 сигнал поступает на дешифратор 23, который на выходе формирует сигналы для включения соответствующих ключей в блоке аналоговых ключевых элементов 24. Под воздействием управляющих сигналов включаются соответствующие ключи, которые подают на второй вход электронного осциллографа 25 сигнал (точка н), равный падению напряжения на одном из шунтов, впаянных в секции при протекании по ней импульса тока разрыва.

При поступлении на входы счетчика 21 трех сигналов последний согласно управляющему алгоритму блока управления 22 формирует на своем выходе сигнал (точка к), соответствующий логической единице, который поступает на второй вход логического элемента И 15. Одновременно этот же сигнал поступает на синхронизирующий вход электронного осциллографа 25, тем самым разрешает работу ждущей развертки осциллографа.

При поступлении на оба входа логического элемента И 15 сигналов, соответствующих уровню логической единицы, последний на своем выходе формирует сигнал высокого уровня, который поступает на управляющий вход первого аналогового ключевого элемента 3. Первый аналоговый ключевой элемент 3 меняет свое проводящее состояние и тем самым разрешает передачу на вход интегратора 4 сигнала (точка л), пропорционального производной тока разрыва только заданной секции. Интегратор 4 на своем выходе формирует сигнал (точка м), пропорциональный истинным значениям тока разрыва, который одновременно поступает на первый вход осциллографа 25 и на вход первого прецизионного выпрямителя 5.

При поступлении управляющего сигнала на синхронизирующий вход электронного осциллографа 25 на экране последнего регистрируется: на первом входе кривая мгновенных значений тока разрыва с бесконтактного датчика тока 1, а на втором входе кривая мгновенных значений тока разрыва той же секции, измеренная с шунта, впаянного в секцию.

Для более точного измерения амплитуды импульса тока разрыва одновременно сигнал с выхода первого прецизионного выпрямителя 5 поступает на вход второго амплитудного детектора 6, который на выходе формирует сигнал, равный амплитудному значению импульса тока разрыва. Этот сигнал поступает на информационный вход второго элемента аналоговой памяти 7, с выхода которого на индикатор 8. По индикатору 8 определяется величина амплитуды импульса тока разрыва каждой измеряемой секции.

Устройство приводится в исходное положение для последующих измерений следующим образом.

В интеграторе 4 начальные условия интегрирования устанавливаются при каждом цикле измерений с помощью первого аналогового ключевого элемента 3, который после окончания сигнала, поступающего с выхода логического элемента И 15, восстанавливает свое проводящее состояние и тем самым обнуляет интегратор 4.

Первый аналоговый элемент памяти 12 обнуляется с помощью второго аналогового ключевого элемента 16, который изменяет свое проводящее состояние после измерения расстояния от каждой коллекторной пластины по сигналу, поступающему с формирователя 18.

В целом вся схема приводится в исходное состояние с помощью ключевого элемента 26 (кнопка "сброс"). При замыкании ключевого элемента 26 управляющий вход электронного осциллографа 25 и управляющий вход второго элемента аналоговой памяти подключается к шине нулевого потенциала. Таким образом, все элементы схемы приводятся в исходное состояние и готовы для следующего цикла измерений.