金剛石壓機頂錘斷裂監控器的製作方法
2023-06-23 05:26:41 2
專利名稱：金剛石壓機頂錘斷裂監控器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及超聲波換能探測技術，具體地說是一種金剛石壓機頂錘斷裂監控器。
現在，生產人造金剛石的行業中，其生產工藝是將碳片、觸媒置於人造金剛石壓機的合成空腔內，通過壓機進行加壓、加熱處理，使炭片在高溫、高壓條件下合成人造金剛石。空腔內的合成壓力為100-110MPa，溫度約1000℃。壓力來源於壓機的液壓系統，壓力方向是上、下、前、後、左、右六面加壓，直接傳遞壓力的是硬質合金製成的六個頂錘。由於頂錘長時間處於高溫、高壓狀態下，使用一段時間後，會發生疲勞性斷裂或超強度破壞性斷裂。若發生斷裂的頂錘未被及時發現，及時更換，繼續工作，將會發生粉碎性斷裂。由於人造金剛石的合成腔體內處於高溫高壓狀態，當頂錘發生粉碎性斷裂時即產生爆炸，俗稱「放炮」。發生「放炮」事故同時會損壞其它部位頂錘及部件，甚至造成人身傷害。判斷頂錘是否即將發生斷裂，目前是依靠操作工人的實踐經驗，主要憑聽覺加以判斷，如聽到斷裂聲音立即停機。但是，若頂錘緩慢斷裂時聲音過小，環境噪聲大或操作工人經驗不豐富，都可能發生「放炮」事故。能夠監控金剛石壓機頂錘斷裂情況的儀器目前尚未見到。
本實用新型的目的是提供一種金剛石壓機頂錘斷裂監控器，它能夠判別壓機頂錘是否斷裂，一旦發生斷裂情況就自控停機，防止爆炸事故發生，保證安全生產。
為了達到上述目的，本實用新型是這樣實現的該監控器包括壓機頂錘和冷卻水安裝體，其特徵在於，它還包括六通道超聲波換能傳感器，分別安裝在前、後、左、右、上、下各頂錘大墊塊上冷卻水安裝體上端的安裝座內，由空腔中的空氣作傳遞介質來接收超聲波信號，每一個傳感器的信號輸出端各自與一個前置放大器的輸入端相連接，前置放大器的輸出端與一個帶通濾波器的輸入端相連接，帶通濾波器的輸出端與一個中間放大器的輸入端相連接，中間放大器的輸出端與一個包絡線檢波器的輸入端相連接，包絡線檢波器的輸出端與一個判別電平比較器的負向輸入端相連接，各判別電平比較器的輸出端分別連接一個三端輸入三「或」門的AN1～AN6口，三「或」門的輸出端按順序與微處理器的地址線A0、A1、A2口相連接，一個故障指示器的6個輸入端和一個單「或」門的6個輸入端則連接在微處理器的相應輸出接口Q1～Q6上，一個停機控制器和一個聲光報警器的輸入端並接在單「或」門的正輸出端上，一組正、負穩壓電源向所述的各電路供電。
本實用新型的優點是1、可防止「放炮」事故發生，保證生產安全；2、判斷故障及時準確，準確度達95％，通常憑聽覺判斷頂錘斷裂情況至採取措施停機約需5～10秒鐘，用本監控器監測，一有斷裂情況發生，10ms內可立即自動停機，能及時控制斷裂故障惡化，消除事故隱患；3、可消除操作工人因擔心發生事故的精神緊張狀態，減輕勞動強度，提高勞動生產率；4、能節約維修費用，降低生產成本。
圖1是本監控器的傳感器和安裝體部分的結構示意圖。
圖2是主機部分的結構示意圖。
圖3工作原理框圖。
圖4是電路圖的超聲波換能傳感器和前置放大器部分。
圖5是電路圖的帶通濾波器、中間放大器、包絡線檢波器和判別電平比較器部分。
圖6是電路圖的信號處理和故障指示部分。
圖7是電路圖的停機控制器和聲光報警器部分。
圖8是電路圖的穩壓電源部分。
以下結合附圖對本實用新型作進一步詳細地描述。
在圖1中，13是人造金剛石壓機頂錘的大墊塊，安裝體2焊接於大墊塊13上，因為被監控的物體表面有140℃左右的高溫，設置了冷卻水管道3流水冷卻降溫，此外，壓機的導電錘上存在有12V電壓、100A左右的電流，還有一定的磁場和油汙，會對檢測產生影響，所以，超聲波換能傳感器不能直接與被監控物體接觸，把它置於冷卻水管上面的安裝座內，由空腔內的空氣作傳遞介質，排除了外界環境條件的幹擾。4是屏蔽罩，5是傳感器的諧振片，6是激勵器，7是固定架，8是底板，9是前置放大部分的印刷電路板，10是電路板的固定螺釘，11是外殼，12是傳輸線。
圖2是主機部分的結構示意圖。16是機箱，它的前面板上裝有故障指示燈21，一排共有6個，分別代表和指示金剛石壓機前、後、左右、上、下各頂錘的故障，例如從左到右第一個指示燈亮，說明前頂錘出現了故障，如下類推，20是電源開關，19是手動復位開關，用於清零，18是自動、手動控制倒換開關，17是揚聲器開關，15是傳輸線插座，用於將主機與傳感器連接，14是自動控制輸出的接線柱，22是電源部分的線路板，23是電源箱，24是安裝主機電路元器件板，25是電路板的固定螺釘，26是機箱蓋，27是機箱蓋的固定螺釘。
圖3是工作原理框圖。當被監控的金剛石壓機頂錘在發生斷裂前的瞬間，會發射出uV～mv數量級的超聲波(雙箭頭所示)，這個信號被超聲波換能傳感器接收，並轉換成電信號送入前置放大器將信號放大後，經帶通濾波器濾除機械噪聲和低頻幹擾信號，然後送入中間放大器作進一步放大，放大了的信號由包絡線檢波器檢出有用信號，輸出方向不變的鋸齒波信號至判別電平比較器進行比較，由比較器轉換成矩形波輸出，送入信號處理電路處理確認後，由信號處理器將信號分送給故障指示器、停機控制器和聲光報警器，從而完成故障指示、自控停機和聲光報警任務。
圖4是電路圖的超聲波換能傳感器和前置放大器部分。由圖可見超聲波換能傳感器T1連接在前置放大器A1的正向輸入端，T1的頻率範圍是30KHZ～100KHZ。前置放大器由A1、V1、V2及外圍元件C1～C5、R1～R10構成，其中C1為濾波電容，用於濾除從電源來的雜散電幹擾，R1～R3組成分壓電路，以保證加在T1兩端的工作電壓為7V左右，R5為反饋電阻，調整它可以改變A1的增益，C4是耦合電容，R6、R7是V1的偏置電阻，C4與R7同時構成一階高通濾波器，下限截止頻率為28.4KHZ，以濾除機械噪聲，V2集電極上的a點。是信號的輸出端，它與圖5中的a點相連接。
圖5是電路圖的帶通濾波器、中間放大器、包絡線檢波器和判別電平比較器部分。帶通濾波器由R11、R12、C6、C7構成，其通帶頻率為28.4KHZ＜f＜102KHZ。中間放大器由A2及外圍元件R13～R17、C8構成，調整R17可以改變中放的增益，L1是高頻濾波電感，C9、C10分別是正、負電源的濾波電容。包絡線檢波器由VD1、A3、R18～R20和積分電容C11構成，L2是濾波電感，C12、C13分別是正、負電源的濾波電容。判別電平比較器由A4及外圍元件VD2～VD4、R21～R27、C14、C15、C18構成，L3是濾波電感，C16、C17分別是正、負電源的濾波電容，AN1是信號輸出端。從超聲波換能傳感器～判別電平比較器一共有六個通道，由於電路結構完全相同，為了節省篇幅，圖中只給出一個通道的電路，這六個通道的輸出接口分別與圖6中AN1～AN6口相連接。
圖6是電路圖的信號處理和故障指示部分。信號處理器由微處理器D2，(使用型號為MC14599)，三輸入端三或門D1，它們的輸出端分別連接D2的地址線A0、A1、A2，輸入端或門D3，非門D4以及外圍元件R28～R32，R19～C22構成，其中C20與R30組成自動復位清零電路，VB是手動復位清零按鈕，R40、V3、R33、VD5構成信號處理器的工作狀態監視，正常工作時VD5亮，AN1～AN6是前面各通道來的信輸入接口，b點是自控停機和聲光報警信號的輸出端。故障指示器由V4～V9，R34～R46以及發光二極體VD6～D11組成六個監視目標(與金剛石壓機的前、後、左、右、上、下頂錘相對應)的故障指示，它們的輸入端和單或門D3的6個輸入端I1～I6一起，分別對應連接在D2的輸出埠Q1～Q6上，Q1～Q6與AN1～AN6一一對應，當六個目標中的某一個發生故障時，對應的發光二極體亮，或門D3有輸出，即b點有輸出，該點與圖7的b點相連接。
圖7是電路圖的自控停機和聲光報警部分。自控停機由與非門D6、反相器D5、D7、開關三極體V10、繼電器K、二極體VD13、VD13電阻R47、R48電容C23構成，其中R47與C23組成延時觸發電路，用於當故障信號從b點進入與非門D6瞬間使D6輸出低電平，經反相器D7反相向開關管提供導通偏置電流，繼電器吸合。觸發信號過後，C23通過D5放電，偏置隨之消失，繼電器K恢復初始狀態。VD14是防止反向擊穿保護二極體，用以保護V10。S1是自動與手動的選擇開關，VD13和R49組成自控停機電路工作指示燈。聲光報警由D9、D10、V12～V16，A5、VD16、C26～C29、R53～R60以及揚聲器BL構成，L4和C24、C25是電源的濾波電感和電容，V14、V15組成單穩態多諧音頻振蕩器，通過V16不斷觸發A5的復位端MR，使A5跟著振蕩並由A5推動揚聲器BL。VD16是隨振蕩器頻率閃光的光報警二極體。D9、D10和V12、V13組成電子開關，控制聲光報警，電子開關受控於b點來的信號。S2是控制BL發聲的手動通斷開關。D8、V11、VD15、R50～R51組成報警監控指示，系統正常工作時，VD15亮，一旦出現故障，VD15息滅。b點是自控停機和聲光報警電路的共同輸入端。
圖8是電路圖的穩壓電源部分。它由抗幹擾電路、變壓器、橋式整流、電容濾波和三端穩壓集成塊組成，L5、L6、C30～C36、構成抗幹擾電路，T2是降壓變壓器，VR1、VR2是橋式整流器，L7～L9是濾波電感，C38～C44是濾波電容，IC1～IC3是三端穩壓源。這是普通的典型穩壓電源，它向整個電路提供穩定的正、負直流工作電源，其中IC3提+5V電源，IC1提供+12V電源，IC2提供負12V電源。
整個電路的工作過程是接通電源，D2自動清零，電路處於待命狀態，當被監控的物體正常時，故障指示器的各指示燈均不亮，聲光報警電路也不工作。當被監控的金剛石壓機的六個頂錘中的某一個頂錘例如前頂錘出現故障，在發生斷裂前的瞬間，發射出超聲波，這個信號通過安裝體空腔被圖4中的T1接收，並轉換為電信號送入A1的正輸入端，信號經A1放大，由一階高通濾波器C4與R7濾除機械噪聲後，通過V1、V2放大從a點輸出，經圖5a點進入由R11C6、C7、R14組成的帶通濾波器，濾除高於100KHZ和低於30KHZ的各種幹擾信號，再送入中間放大器A2作進一步放大，放大了的信號從A2輸出，由VD1進行包絡線檢波，再經A3將信號進行積分處理後，得到單方向的近似鋸齒波，通過VD2、R21進入判別比較器A4的負輸入端，經A4與判別電平進行比較後由A4輸出矩形波經VD3、R26從AN1輸出，送至圖6中微處理器中的D1的AN1輸入端，微處理器D2使用了MC14599集成塊，它的數據端D和讀寫控制端W/R經電阻R28接+5V電源，被置於高電平，因此該電路被置成「只寫」模式，即從數據端往地址指定的鎖存器送數，由於D端始終接高電平，所以寫入鎖存器的數據只能為高電平有效。禁止端WD和片選端受或門D3的正輸出端控制，地址線A0、A1、A2受三輸入三「或」門D1的三個輸出端控制，六個通道的判別比較器的六個輸出端分別與三輸入三「或」門的六個輸入端AN1～N6對應連接，AN1～AN6與D2輸出端的Q1～Q6相對應，組成了二進位地址編碼電路，各通道對應的地址碼如下A0＝AN1+AN3+AN5A1＝AN2+AN3+AN6A2＝AN4+AN5+AN6這樣，當D1的輸入端AN某路出現高電平時，必定有相應的地址碼輸入，例如AN1為「1」時，將AN1代入上式A0＝1，A1＝0，A2＝0，其地址碼從高位到低位為A2、A1、A0＝001，必然有數據端D的高電平被鎖入Q1，即Q1＝「1」。這個信號從Q1分兩路輸出，一路送入故障指示器對應的輸入端經R46，使V9導通，驅動D10發光；指示出AN1通道監控的目標發生故障，另一路送入D3的相應輸入端I1，D3輸出為「1」，該信號從圖6的b點輸出送至圖7的b點，也分兩路，一路經D9、D10驅動電子開關V12、V13導通，啟動聲光報警器工作，此時揚聲器發出報警聲，發光二極體VD16隨振蕩頻率閃動，另一路送入與非門D6，經D7、R48、VD12觸發V10導通，繼電器K動作自動停機，此後C18經R47、D5放電，繼電器恢復初始狀態，從而完成故障指示，自控停機和聲光報警任務。其它通道的工作過程完全一樣，所區別的是寫入的地址碼不同，即當某AN有翻轉信號後，則有對應的Q輸出，其餘類推。
為了保證金剛石壓機的六個頂錘中當某個方位的頂錘發生斷裂故障後，只有該通道對應的鎖存器有輸出，不受其它通道後到信號的影響，使用了片選端CE和禁止端WD實現D端懸浮對數據輸入的封鎖，其具體過程如下當D2復位後，Q1～Q6均復位為「0」，D3輸出為「0」，WD為「0」，D4輸出為「1」，CE為「1」，電路被選中允許寫入狀態；當某個AN為高電平後，對應的鎖在器Q有輸出，因此D3輸出為「1」，WD為「1」，D4輸出為「0」，CE為「0」，電路不被選中，處於被禁止寫入狀態，從而封鎖了數據輸入(D端浮空)，使後到的其它信號不能進入。這就保證了被監控的頂錘中發生斷裂故障的那個頂錘的通道信號能進入的唯一性，其後到的其它信號不起作用。
權利要求1.一種金剛石壓機頂錘斷裂監控器，它包括，壓機頂錘和冷卻水安裝體，其特徵在於，它還包括六通道超聲波換能傳感器，分別安裝在前、後、左、右、上、下各頂錘大墊塊(13)上冷卻水安裝體(2)上端的安裝座內，由空腔中的空氣作傳遞介質來接收超聲波信號，空腔中設屏蔽罩(4)、諧振片(5)和激勵器(6)，每一個傳感器的信號輸出端各自與一個前置放大器的輸入端相連接，前置放大器的輸出端與一個帶通濾波器的輸入端相連接，帶通濾波器的輸出端與一個中間放大器的輸入端相連接，中間放大器的輸出端與一個包絡線檢波器的輸入端相連接，包絡線檢波器的輸出端與一個判別電平比較器的負向輸入端相連接，各判別電平比較器的輸出端分別連接一個三端輸入三「或」門的AN1～AN6口，三「或」門的輸出端按順序與微處理器的地址線A0、A1、A2口相連接，一個故障指示器的6個輸入端和一個單「或」門的5輸入端則連接在微處理器的相應輸出接口Q1～Q6上，一個停機控制器和一個聲光報警器的輸入端並接在單「或」門的正輸出端上，一組正、負穩壓電源向所述的各電路供電。
2.按照權利要求1所述的金剛石壓機頂錘斷裂監控器，其特徵在於它的前置放大器A1的正輸入端與超聲波換能傳感T1的輸出端相連接，前置放大器的輸出端晶體三極體V2集電極的a點與帶通濾波器的輸入端R11相連接，帶通濾波器的輸出端C6通過R15與中間放大器A2的正輸入端相連接，中間放大器A2的輸出端與包絡線檢波器輸入端晶體二極體VD1正端相連接，包絡線檢波器的A3輸出端與判別電平比較器輸入端的晶體二極體VD2的負端相連接，判別電平比較器的輸出端接AN口，從超聲波換能傳感器起到判別電平比較器的輸出端止一共有六個電路完全相同各自獨立的六路通道，每個通道監視一個頂錘，判別電平比較器的輸出接口分別為AN1-AN6。
專利摘要本實用新型提供了一種金剛石壓機頂錘斷裂監控器，它是在壓機的合成腔體外六個加壓頂錘的各墊塊上設一空腔安裝體，腔內裝超聲波換能傳感器，將檢測到的斷裂信號轉換為電信號，經放大、濾波、檢波、比較、信號處理後聲光報警指示故障方位並自控停機。該監控器採用超聲波探測與電子技術相結合，對壓機頂錘工況進行自動監控，解決了生產過程中憑人的聽覺判斷故障的落後狀況，能消除事故隱患防止頂錘爆炸、保證安全，提高生產效率，降低維修費用，非常適合人造金剛石生產行業使用。
文檔編號G01N29/04GK2243081SQ9521119
公開日1996年12月18日 申請日期1995年5月19日 優先權日1995年5月19日
發明者王林, 顧茂林 申請人:王林