Устройство для очистки поверхности изделий из ферромагнитных материалов

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ(71) Заявитель Военная академия Республики Беларусь(72) Авторы Воинов Валерий Васильевич Лаврентьев Иван Алексеевич Чалый Александр Андреевич(73) Патентообладатель Военная академия Республики Беларусь(57) Устройство для очистки поверхности изделий из ферромагнитных материалов, содержащее электромагнит, соединенный с выходом усилителя мощности, и генератор импульсов, отличающееся тем, что включает управляемый аттенюатор, первый и второй согласующий блоки,источник опорного напряжения, источник напряжения логической единицы, датчик магнитного поля, датчик механических колебаний, первый и второй усилители, амплитудный детектор,схему вычитания, блок дифференцирования, первый и второй компаратор, первую, вторую,третью, четвертую, пятую и шестую схемы И, первую и вторую схемы НЕ, схему ИЛИ, схему И-НЕ, первый и второй счетчики импульсов, цифровой компаратор и схему задержки, причем выход управляемого аттенюатора подключен ко входу усилителя мощности, выход источника напряжения логической единицы подключен к первому входу первой схемы И, выход которой 4929 1 соединен со входом первого согласующего блока, а также с первыми входами второй и третьей схем И, а также с первым входом схемы И-НЕ, выход первого согласующего блока соединен со входом управляемого аттенюатора, на управляющий вход которого сигнал подается с выхода второго согласующего блока, датчик магнитного поля посредством первого усилителя и амплитудного детектора соединен с первым входом схемы вычитания, второй вход которой соединен с выходом источника опорного напряжения, а выход подключен ко входу второго согласующего блока, датчик механических колебаний посредством второго усилителя подключен к первому входу первого компаратора и входу блока дифференцирования, выход которого соединен с первым входом второго компаратора, вторые входы первого и второго компараторов соединены с общей шиной устройства, выход первого компаратора соединен со вторым входом третьей схемы И, выход которой подключен к первому входу четвертой схемы И, выход которой соединен со входом первого счетчика импульсов, выход второго компаратора подключен ко второму входу схемы И-НЕ, выход которой соединен со входом первой схемы НЕ и вторым входом пятой схемы И, выход которой соединен с первым входом шестой схемы И,выход которой подключен ко входу второго счетчика импульсов, выходы первого и второго счетчиков импульсов соединены, соответственно, с первым и вторым входами цифрового компаратора, выход которого соединен со входом схемы задержки, а также вторым входом шестой схемы И и входом второй схемы НЕ, выход схемы задержки соединен с управляющими входами первого и второго счетчиков импульсов, выход второй схемы НЕ соединен со вторым входом схемы ИЛИ, выход которой подключен ко второму входу первой схемы И, а первый вход соединен с выходом второй схемы И, второй вход которой подключен к выходу первой схемы НЕ, выход генератора импульсов соединен со вторым входом четвертой схемы И и первым входом пятой схемы И.(56)1542646 1, 1990.95103895 1, 1996.95103920 1, 1996.2640166 1, 1990.4985735 , 1991. Изобретение относится к устройствам для очистки поверхности от налипших веществ и различного рода отложений и может быть использовано для очистки поверхностей изделий из ферромагнитных материалов. Известно устройство для очистки поверхностей от налипших веществ 1, 2, содержащее многослойную электромагнитную катушку, подключенную к источнику тока, рабочую парамагнитную пластину из материала с высокой электропроводностью, выполненную в виде диска и расположенную между катушкой и очищаемой поверхностью. Недостатком известного устройства является то, что из-за инерционности пластины частотный диапазон силового воздействия на поверхность ограничен и не всегда совпадает с собственными частотами колебаний материала поверхности. Следствием этого является низкая амплитуда колебаний материала поверхности и небольшая скорость очистки. Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому устройству является устройство, реализующее способ очистки поверхности 3, содержащее электромагнит,соединенный с источником питания посредством коммутирующего элемента, генератор,выход которого соединен с управляющим входом коммутирующего элемента. Недостатком известного устройства является то, что из-за несогласованности параметров импульса магнитного поля с магнитными и частотными свойствами материала очищаемого изделия импульс магнитного поля не вызывает собственных колебаний в материале изделия. В результате этого скорость очистки поверхности оказывается низкой. Задачей изобретения является повышение скорости очистки. 2 4929 1 Поставленная задача решается тем, что в устройство для очистки поверхности изделий из ферромагнитных материалов, содержащее электромагнит, соединенный с выходом усилителя мощности, и генератор импульсов, введены управляемый аттенюатор, первый и второй согласующий блок, источник опорного напряжения, источник напряжения логической единицы, датчик магнитного поля, датчик механических колебаний, первый и второй усилители, амплитудный детектор, схема вычитания, блок дифференцирования, первый и второй компаратор, первая, вторая, третья, четвертая, пятая и шестая схема И, первая и вторая схема НЕ, схема ИЛИ, схема И-НЕ, первый и второй счетчики импульсов,цифровой компаратор и схема задержки, причем выход управляемого аттенюатора подключен ко входу усилителя мощности, выход источника напряжения логической единицы подключен к первому входу первой схемы И, выход которой соединен со входом первого согласующего блока, а также с первыми входами второй и третьей схемы И, а также с первым входом схемы И-НЕ, выход первого согласующего блока соединен со входом управляемого аттенюатора, на управляющий вход которого сигнал подается с выхода второго согласующего блока, датчик магнитного поля посредством первого усилителя и амплитудного детектора соединен с первым входом схемы вычитания, второй вход которой соединен с выходом источника опорного напряжения, а выход подключен ко входу второго согласующего блока, датчик механических колебаний посредством второго усилителя подключен к первому входу первого компаратора и входу блока дифференцирования, выход которого соединен с первым входом второго компаратора, вторые входы первого и второго компараторов соединены с общей шиной устройства, выход первого компаратора соединен со вторым входом третьей схемы И, выход которой подключен к первому входу четвертой схемы И, выход которой соединен со входом первого счетчика импульсов,выход второго компаратора подключен ко второму входу схемы И-НЕ, выход которой соединен со входом первой схемы НЕ и вторым входом пятой схемы И, выход которой соединен с первым входом шестой схемы И, выход которой подключен ко входу второго счетчика импульсов, выходы первого и второго счетчиков импульсов соединены,соответственно, с первым и вторым входами цифрового компаратора, выход которого соединен со входом схемы задержки, а также вторым входом шестой схемы И и входом второй схемы НЕ, выход схемы задержки соединен с управляющими входами первого и второго счетчиков импульсов, выход второй схемы НЕ соединен со вторым входом схемы ИЛИ, выход которой подключен ко второму входу первой схемы И, а первый вход соединен с выходом второй схемы И, второй вход которой подключен к выходу первой схемы НЕ, выход генератора импульсов соединен со вторым входом четвертой схемы И и первым входом пятой схемы И. В результате, при меньших в 1,4 раза затратах энергии, предлагаемое устройство развивает мощность колебаний в 1,9 раза выше, чем известное устройство, что в конечном итоге приводит к повышению скорости очистки не менее чем в 1,5 раза. На фиг. 1 изображена зависимость индукции магнитного поля В в импульсах от времени , создаваемых устройством-прототипом, на фиг. 2 - форма механических колебаний,создаваемых этими импульсами. На фиг. 3 представлена зависимость индукции магнитного поля (В) в импульсах от времени , создаваемых заявляемым устройством. На фиг. 4 представлена форма механических колебаний, вызываемых этими импульсами в очищаемой поверхности. На фиг. 5 приведена схема заявляемого устройства, а на фиг. 6 - эпюры, поясняющие его работу. Обозначения на фиг. 1-4 следующие- индукция магнитного поля насыщения ферромагнитного материала изделия- индукция магнитного поля, соответствующего максимальной магнитострикции материала на участке гистерезиса и, п - длительность импульса и паузы, соответственно 3 4929 1 с - длительность спада импульса- напряжение на акустическом датчике, пропорциональное механическому смещению материала. На фиг. 5 обозначены 1 - электромагнит 2 - усилитель мощности 3 - генератор импульсов, выполненный, например, на микросхеме 555 ЛА 3 4 - управляемый аттенюатор, выполненный, например, на полевых транзисторах 5, 6 - первый и второй, соответственно, согласующие блоки, например усилитель на микросхеме К 140 УД 7 7 - источник опорного напряжения, выполненный, например, на стабилитроне 8 - источник напряжения логической единицы 9 - датчик магнитного поля, например катушка индуктивности 10 - датчик механических колебаний, например пьезоэлемент 11, 12 - первый и второй, соответственно, усилители, выполненные, например, на микросхемах 140 УД 8 13 - амплитудный детектор 14 - схема вычитания, выполненная, например, на микросхеме 140 УД 7 15 - блок дифференцирования, выполненный, например, по схеме, приведенной на рис. 2.3 в 3 16, 17 - первый и второй, соответственно, компараторы, выполненные, например, на микросхемах 521 СА 3 18, 19, 20, 21, 22, 23 - первая, вторая, третья, четвертая, пятая и шестая, соответственно, схемы И, в качестве которых используются, например, микросхемы 555 ЛИ 3 24, 25 - первая и вторая, соответственно, схемы НЕ(инверторы), выполненные, например, на микросхемах 555 ЛН 1 26 - схема ИЛИ, например 555 ЛЛ 1 27 - схема И-НЕ, например микросхема 555 ЛА 3 28, 29 - первый и второй, соответственно, счетчики импульсов, выполненные, например, на микросхемах 555 ИЕ 5 30 - цифровой компаратор, выполненный, например, на микросхеме 555 СП 1 31 - схема задержки, например последовательно соединенные 4 элемента И-НЕ (микросхема 555 ЛА 3) 32 - слой отложений 33 - очищаемая поверхность. На фиг. 6 показана форма напряжения на выходе блоков 1, 10, 1523, 27 и 30. Принцип работы устройства по фиг. 3 состоит в следующем. Для очистки поверхности изделия от отложений в ограниченном объеме материала изделия создают импульсное магнитное поле, которое, в свою очередь, создает магнитострикционный эффект, т.е. упругую деформацию материала изделия. Эта деформация, распространяясь вдоль поверхности, разрушает налипший на поверхность слой отложений. Периодическое повторение деформаций приводит к полному разрушению слоя отложений и его осыпанию с поверхности. Мощность разрушающих отложения колебаний пропорциональна квадрату их амплитуды и частоте. Поэтому повышение амплитуды и частоты колебаний увеличивает эту мощность и, как следствие, увеличивает скорость очистки. Максимальной амплитудой обладают колебания на собственной частоте материала изделия. Для того чтобы их вызвать и максимально использовать для очистки поверхности, необходимо выполнение ряда условий. Во-первых, амплитуда импульсов магнитного поля должна соответствовать максимальной магнитострикции материала изделия. Во-вторых, длительность импульсов магнитного поля должна равняться времени релаксации механических колебаний в материале изделия, чтобы за это время могла установиться максимальная амплитуда деформации. 4 4929 1 В-третьих, длительность паузы должна быть примерно равна длительности импульса и, соответственно, времени релаксации, чтобы за время паузы продолжались собственные механические колебания очищаемой поверхности. В-четвертых, длительность паузы спада импульса должна быть меньше периода собственных колебаний материала изделия, т.к. только в этом случае импульс магнитного поля вызывает собственные механические колебания материала изделия. В предлагаемом устройстве, путем организации специальной обратной связи, обеспечено выполнение всех этих условий. Это дает качественно новый характер воздействия магнитного поля на материал очищаемой поверхности, что отражено на фиг. 1 - 4. Импульсы магнитного поля, имеющие амплитуду индукции магнитного поля равную индукциинасыщения ферромагнитного материала, приведенную на фиг. 1, вызывают акустический сигнал (зависимость напряженияна акустическом датчике от времени ),вид которого приведен на фиг. 2 и реализуется устройством-прототипом. Принцип действия последнего не учитывает приведенных выше условий, т.к., например, время спада импульса примерно равно времени нарастания, а амплитуда магнитного поля значительно выше индукции магнитного поля, соответствующей максимальной магнитострикции. Результатом этого является снижение акустического сигнала и, соответственно, эффективности очистки. Зависимости, иллюстрирующие работу заявляемого устройства, приведены на фиг. 3 и фиг. 4. На фиг. 3 показана зависимость индукции магнитного поля от времени, реализуемая заявляемым устройством, а на фиг. 4 - соответствующий ей акустический сигнал. Амплитуда магнитного поля, создаваемая заявляемым устройством в материале изделия, соответствует максимальной магнитострикции материала,5 Тл, а длительность спада импульса равна 310-5 с. В связи с этим импульсы магнитного поля вызывают в паузе собственные колебания материала, разрушающие слой накипи. Длительность импульса и паузы устанавливаются автоматически по сигналу датчика механических колебаний 10. Устройство по фиг. 5 и фиг. 6 работает следующим образом. На первый вход первой схемы И 18 от источника 8 напряжения подается напряжение логической единицы. В связи с тем, что в это время и на входе схемы И-НЕ 27 также присутствует напряжение логической единицы, которое инвертируется первой логической схемой НЕ 24, на втором входе второй схемы И 19 присутствует напряжение логического нуля. На входе цифрового компаратора 30 также действует напряжение логического нуля, которое инвертируется второй логической схемой НЕ 25 и через схему ИЛИ 26 подается на второй вход первой схемы И 18. В результате, на ее выходе возникает напряжение логической единицы, которое, по существу, и определяет длительность импульса, воздействующего на очищаемую от отложений 32 поверхность 33. Для этого напряжение с выхода первой схемы И 18 поступает на согласующий блок 5, где усиливается по амплитуде и посредством управляемого аттенюатора 4 подается на вход усилителя 2 мощности, с помощью которого в обмотке электромагнита 1 возбуждается импульс тока, вызывая намагничивание материала поверхности 33 и ее деформацию. Эта деформация и производит очистку поверхности 33 от отложений 32. Датчик 10 механических колебаний воспринимает эту деформацию и преобразует ее в электрический сигнал, который усиливается вторым усилителем 12 и поступает на вход первого компаратора 16 и блока 15 дифференцирования. Т.к. компаратор 16 сравнивает поступающий сигнал с нулевым потенциалом, то на его выходе возникает напряжение логической единицы, которое поступает на второй вход третьей схемы И 20, на первом входе которой присутствует напряжение логической единицы с выхода первой схемы И 18. В результате, на первый вход четвертой схемы И 21 поступает сигнал логической единицы и она начинает пропускать импульсы, вырабатываемые генератором 3 импульсов, на вход первого счетчика 28 импульсов, который 5 4929 1 их подсчитывает. Процесс продолжается до достижения сигналом датчика 10 механических колебаний стационарного значения. С появлением на выходе первого счетчика 28 цифрового кода на выходе цифрового компаратора 30 вырабатывается напряжение логической единицы, которое инвертируется второй схемой НЕ 25 и на ее выходе образуется сигнал логического нуля. Тем не менее на втором входе первой логической схемы И 18 продолжает действовать сигнал логической единицы, подаваемый с выхода второй схемы И 19. Это следует из того, что на ее первом входе присутствует сигнал логической единицы с выхода первой схемы И 18, а на втором входе - сигнал логической единицы, вырабатываемый вторым компаратором 17, т.к. сигнал дифференцирующего блока 15 в это время больше нуля и сравнение происходит по нулевому значению, а сигнал с выхода второго компаратора 17 предварительно поступает на второй вход схемы И-НЕ 27, на первый вход которой поступает сигнал логической единицы от первой схемы И 18. Поэтому на выходе схемы И-НЕ 27 образуется сигнал логического нуля, который, инвертируясь первой схемой НЕ 24, попадает в виде логической единицы на второй вход второй схемы И 19. В момент достижения сигналом датчика 10 механических колебаний стационарного значения производная (т.е. сигнал на выходе блока 15 дифференцирования) становится равной нулю и на выходе второго компаратора 17 появляется сигнал логического нуля. Поэтому на выходе схемы И-НЕ 27 начинает действовать сигнал логической единицы,который инвертируется первой схемой НЕ 24 и поступает на второй вход второй схемы И 19 в виде логического нуля и посредством схемы ИЛИ 26 передается на второй вход первой схемы И 18, на выходе которой также возникает напряжение логического нуля,прекращая в конечном итоге действие импульса тока на электромагнит 1. Сигнал логического нуля с выхода первой схемы И 18 поступает на второй вход третьей схемы И 20 и передается затем на второй вход четвертой схемы И 21, тем самым прекращая счет импульсов первым счетчиком 28. Одновременно напряжение логической единицы с выхода схемы И-НЕ 27 передается на второй вход пятой схемы И 22, которая после этого начинает пропускать импульсы от генератора 3 импульсов. Эти импульсы поступают на первый вход шестой схемы И 23, на втором входе которой действует напряжение логической единицы по причине превышения показаний первого счетчика 28 импульсов над вторым счетчиком 29. Поэтому импульсы проходят и через шестую схему И 23 и подсчитываются вторым счетчиком 29 до тех пор, пока показания обоих счетчиков не сравняются. В этот момент на выходе цифрового компаратора 30 сигнал кратковременно принимает значение логического нуля, который поступает на второй вход шестой схемы И 23, прекращая тем самым прохождение через нее импульсов генератора 3. Одновременно этот сигнал поступает на схему 31 задержки и спустя время задержки обнуляет показания обоих счетчиков, подготавливая их к следующему циклу работы. Этот же сигнал поступает также на вторую схему НЕ 25, которая его инвертирует и в виде логической единицы, посредством схемы ИЛИ 26, подает его на второй вход первой схемы И 18. В результате, на ее выходе появляется напряжение логической единицы, которое, как и в предыдущем цикле, запускает в конечном итоге новый токовый импульс через электромагнит 1 и далее процесс периодически повторяется. Для поддержания оптимальной амплитуды импульсов через электромагнит 1 напряжение с выхода датчика 9 магнитного поля усиливается первым усилителем 11, детектируется амплитудным детектором 13 и поступает на первый вход схемы 14 вычитания, на второй вход которой поступает эталонное напряжение от источника 7 опорного напряжения. Разностное напряжение (напряжение ошибки) посредством согласующего блока 6 подается на управляющий вход управляемого аттенюатора 4, изменяя его коэффициент передачи и автоматически поддерживая амплитуду импульсов, приходящих от первой схемы И 18 посредством блоков 5, 4 и 2 к электромагниту 1 на заданном уровне. Таким образом, за счет введенных обратных связей, параметры вырабатываемых предлагаемым устройством импульсов магнитного поля оказываются согласованными с 6 4929 1 частотными и магнитными свойствами материала очищаемой поверхности. В результате,при меньших в 1,4 раза затратах энергии, предлагаемое устройство развивает мощность колебаний в 1,9 раза выше, чем известное устройство, что в конечном итоге приводит к повышению скорости очистки не менее чем в 1,5 раза. Источники информации 1.2640166 А 1, 1990. 2.4985735 А, 1991. 3.1542646, 1990. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7