Модернизация автоматизированного устройства исследования слаботочных контактов

• Введение
• 1. Автоматизированное измерительное устройство
• 1.1 Устройство и принцип работы
• 1.2 Назначение и работа установки
• 1.3 Недостатки
• 1.4 Устранение недостатков
• 1.5 Выбор комплектующих для модернизации
• 1.6 Спецификация
• 1.7 Выбор ОС
• 1.8 Актуальность темы
• 2. Явление сверхпроводимости в материале
• 2.1 Сверхпроводимость
• 2.2 Автоматизированное измерительное устройство
• 2.2.1 Порядок работы с установкой
• 2.5 Формирование структуры «трибометаллокерамики»
• 2.6 Результаты опытов
• Заключение
• Литература

В конструкции агрегатов современной техники применяется большое количество коммутирующих устройств, неразборной конструкции. Характерной неисправностью коммутирующих устройств, установленных в слаботочных цепях агрегатов, является нарушение электрического контакта элементов коммутации. Не разбирающаяся конструкция не позволяет производить профилактическую зачистку их контактов при ремонте. При этом единственный способ предупреждения отказов контактов является замена всего устройства. Нарушения электрического контакта в коммутирующих элементах слаботочных цепей происходит главным образом в результате образования на контактных поверхностях диэлектрических плёнок. Наличие и состояние диэлектрических плёнок на контактных поверхностях оценивается по величине переходного сопротивления R_x контактов по сравнению с R_x1 свежее зачищенного контакта той же конструкции. Величина превышения R_x проверяемого контакта характеризует сопротивление его диэлектрической плёнки.

Трудность получения реального R_x контакта заключается в особых электрических свойствах диэлектрической плёнки.

Во-первых, сопротивление диэлектрической плёнки имеет нелинейный характер, близкий к характеру сопротивления тонких полупроводников и диэлектриков, во-вторых, в процессе измерения R_x контакта может наступить фриттинг плёнки, т. е. пробой с образованием тонкого непрочного металлического мостика, создающего впечатление металлического контакта, свободного от диэлектрических плёнок. Применение методов измерения R_x контактов, не учитывающих указанные свойства диэлектрических плёнок, приводят к существенным ошибкам при оценке технического состояния контактов. [6]

Импульсный метод измерения, неразрушающий диэлектрические пленки контактных поверхностей _x обеспечивает высокую достоверность 90 890. При этом модель развертки контактной дорожки формируется генератором импульсов параметры которого (по амплитуде? R_ЭК и длительности? t_Эc) зависят от чувствительности установки и поставленной задачи.

Принцип действия установки И-189−73 основан на этом методе.

1. Автоматизированное измерительное устройство

Установка И-189−73 предназначена для контроля и измерения параметров процесса электрического контактирования слаботочных электрических контактов.

Позволяет регистрировать превышение контактного сопротивления выше установленной величины (отказы) с селекцией по длительности и амплитуде, измерять их суммарную длительность. В том числе в процессе испытания в режиме скольжения и качения.

1.1 Устройство и принцип работы

Функционально установку можно разбить на следующие блоки:

-блок предварительного усилителя (БПУ)

— входной блок (Бвх)

— блок формирования и контроля (БФК)

— блок селектора времени (БСВ)

— блок регистрации и индикации (БРИ)

— блок управление селектором (БУС)

— блок кварцевого генератора (БКГ)

— блок индикаторов (БИ)

— блок питания (БП)

Блок предварительного усилителя

(БПУ) предназначен для усиления импульсов отказов, поступающих с испытуемого контактного устройства и коммутации входных цепей установки.

Предварительный усилитель представляет собой усилитель постоянного тока с переключаемым коэффициентом усиления и переключаемым входным делителем, Обеспечивающим независимость чувствительности усилителя и установки от величины тока через контакт.

Изменение коэффициента усиления осуществляется переключением сопротивления в цепи обратной связи. При чувствительности установки 1ом, 10ом, 50ом, 100ом, коэффициент усиления равен соответственно 200, 20, 4, 2. Переключение чувствительности на пределы 500 и 1000ом делителем на входе усилителя.

Температура стабилизации усилителя осуществляется терморезистором, установленном на корпусе микросхемы. Вход усилителя защищён двусторонним ступенчатым диодным ограничителем.

Входной блок

(Бвх) предназначен для выработки управляющих импульсов при проверке надёжности контактирования реле.

В состав блока входит декадный делитель частоты 10 Гц, ждущий мультивибратор и два электронных ключа.

Декада делит импульсы частотой 10Гц до частоты 1Гц. Импульсы с частотой 1Гц через повторители поступают на электронный ключ на транзисторах, управляющий обмоткой реле. Одновременно эти импульсы поступают на ждущий мультивибратор, вырабатывающий импульс длительности около 200мсек, который определяет задержку подачи испытательных импульсов тока на контакты реле, относительно импульса питания обмотки реле.

Электронный ключ на транзисторах осуществляет коммутации измерительного тока через контакты испытуемого реле.

Блок формирования и контроля

(БФК) предназначен для формирования прямоугольного импульса отказа. Прямоугольный импульс на выходе БФК появляется в случае, если контактное сопротивление исследуемого контактного устройства превышает заданный уровень. Длительность прямоугольного импульса на выходе БФК, равно длительности превышения контактным сопротивлением заданного уровня.

Кроме того вырабатывает испытательные импульсы для контроля надёжности контактов реле.

Формирующее устройство БФК состоит из триггера Шмита с собственным предусилителем на транзисторах, автоколебательного мультивибратора на транзисторах, автоколебательного мультивибратора с эмиттерным повторителем на транзисторах.

Блок селектора времени

(БСВ) предназначен для селекции импульсов отказов по длительности. Импульс занесения единицы в счётчик числа отказов вырабатывается схемой БСВ только в том случае, если длительность импульса отказа превышает установленную.

БСВ состоит из двоично-десятичного счётчика, триггеров памяти, фиксирующих выбранные длительности и входной логики.

Блок управление селектором

(БУС) предназначен для выработки управляющих импульсов, обеспечивающих нормальную работу ВС. По заднему фронту импульса отказа должны вырабатываться импульсы переписи, сброса счетчика селектора и сброса триггеров памяти.

В состав бус входят 2 ждущих мультивибратора с буферным усилителем и выходной эмиттерный повторитель.

Блок регистрации и индикации

(БРИ) предназначен для регистрации числа отказов, суммарного числа времени отказов, времени испытания.

БРИ включает в себя:

-3 независимых десятичных счётчиков ёмкостью в 4 декады;

— логические схемы вывода информации на индикатор,

— дешифраторы двоично-десятичного кода в код семисегментного индикатора Блок индикаторов

(БИ) предназначен для визуальной индикации результатов измерений. В качестве индикаторов выбраны вакуумные люминесцентные индикаторы.

Блок кварцевого генератора

(БКГ) вырабатывает счётные импульсы стабильной частоты. Генератор собран на кремниевых транзисторах с выходным эмиттерный повторителем. Конструктивно блок кварцевого генератора совмещён с источником стабилизированного напряжения -27.

Блок питания

(БП) вырабатывает следующие напряжения:

стабилизированное напряжение -12В;

стабилизированное напряжение -27В;

стабилизированное напряжение +2В;

Напряжение постоянного тока +155В;

Напряжение постоянного тока +12В;

Напряжение постоянного тока +24В;

Напряжение переменного тока 2В;

1.2 Назначение и работа установки

В состав блока питания входит стабилизатор тока, дающий на выходе стабильные токи: 1ма; 5ма; 10ма.

Стабилизатор тока и стабилизации напряжения собраны по типовым схемам стабилизации комплексного типа.

Конструкция установки И-169−73 выполнена в настольном переносном варианте. Основные элементы схемы установки размещены на одиннадцати съемных печатных платах.

В данной работе с помощью установки И — 189 — 73 подсчитывается суммарное число отказов скользящих слаботочных контактов.

1.3 Недостатки установки

В процессе работы с установкой выявляются некоторые недостатки:

— Необходимость непрерывного наблюдения оператором

— Сложность дальнейших расчётов характеристик

— отсутствие сигнала при возникновении отказа.

1.4 Устранение недостатков

Все перечисленные недостатки возможно устранить если подключить установку к компьютеру. С помощью ЭВМ можно будет накапливать необходимые данные с незначительным участием оператора. Так же значительно облегчается дальнейший расчёт характеристик, если ручной способ мог занимать несколько часов, то для компьютера эта задача на несколько секунд. Подача звукового сигнала в случае возникновения отказа может осуществляться через динамики компьютера.

Задачу модернизации можно разделить на 3 этапа:

1. анализ принципиальной схемы установки и определение места подключения соединительного кабеля.

2. написание программы обработки полученных данных.

3. подключение и наладка.

1.5 Выбор комплектующих для модернизации

Для модернизации необходимы:

1. промышленный компьютер

2. программное обеспечение

3. соединительный кабель.

В настоящее время на нашем рынке представлен широкий выбор промышленных компьютеров различных стран производителей :

— промышленный компьютер «Корвет» .

— промышленный компьютер «iROBO Classic»

— промышленные компьютеры «Industrial Computer»

— промышленные управляющие компьютеры «BOXER»

Из выше перечисленных компьютеров мы выберем отечественный «Корвет» .

В мире существуют производители изделий, подобных по свойствам промышленному переносному расширяемому компьютеру «Корвет». Приведу несколько существенных отличий этого изделия от аналогичных изделий производства других компаний.

— в стандартную конфигурацию входит высокопрочная (гарантировано до 20 млн. нажатий на каждую клавишу) резиновая клавиатура с подсветкой клавиш, что позволяет работать в условиях недостаточного освещения или при его отсутствии. Клавиши подсвечиваются изнутри светодиодами зеленого цвета. Подсветка включается и выключается путем нажатия функциональной клавиши.

— жесткий диск может быть установлен с помощью уникальной амортизационной системы, повышающей устойчивость изделия к вибрациям и ударам.

— изделие может быть оснащено уникальной системой температурного контроля, контролирующей температурный режим внутри изделия.

— для эксплуатации в транспортных средствах изделие может комплектоваться виброизолирующей платформой, повышающей рабочий ресурс изделия.

Виброизолирующая платформа может быть специально разработана для различных транспортных средств (с разными параметрами вибраций).

— в ближайшее время планируется реализовать функцию «холодного старта» (включения изделия при пониженной температуре -20°C и ниже).

— изделие полностью соответствует российским стандартам по электромагнитной совместимости и безопасности, успешно прошло соответствующие испытания и имеет сертификат соответствия.

— производитель данного изделия — российское предприятие. Производство находится в г. Москве, поэтому производитель может доработать изделие в соответствии со специальными требованиями заказчика.

1.6 Спецификация

Процессор * Intel Pentium-4, частота до 3 ГГц и более (требуемая частота согласовывается с заказчиком). Система охлаждения используется вентилятор. Чем ниже частота процессора, тем меньше тепловыделение, тем выше предельная повышенная температура среды, при которой система работает устойчиво

* Intel Celeron M, частота 600 МГц. Система охлаждения процессора не использует вентиляторов.

Оперативная память от 512 МБ до 4 ГБ Графический контроллер согласовывается с заказчиком Размер экрана дисплея, LCD TFT 20.1″ ,

Разрешение 1600×1200

Вес от 18 кг Габаритные размеры корпуса

(ширина, высота, глубина) 511×386×237 мм Мощность блока питания *400 Вт Защита экрана * Ударопрочное стекло с антибликовым покрытием Звуковая подсистема согласовывается с заказчиком Клавиатура * Пылевлагозащищенная резиновая клавиатура с подсветкой клавиш (89 кл) * 20 млн. гарантированных нажатий на каждую клавишу Устройство позиционирования курсора

* Встроенный в клавиатуру джойстик

* Внешний манипулятор типа «мышь» с интерфейсом USB или PS/2 (опция) Жесткий или электронный диск (на выбор) * Жесткий диск до 500 ГБ и более, установленный на специальных амортизаторах

* Жесткий диск IDE 40 ГБ с расширенным рабочим диапазоном температур (от -20°C до +60°C), установленный на специальных амортизаторах

* Жесткий диск IDE емкостью до 500 ГБ и более, установка на амортизаторах не предусмотрена

* Электронный диск 4, 8, 12, 16, 24, 32, 48, 64, 80, 128 ГБ и более. Электронный диск рекомендуется устанавливать, если предполагается эксплуатация в условиях высокочастотных вибраций Устройства для отсека 3.5″ (опция) * FDD

* Дополнительный жесткий диск

* Расширитель портов Устройства для отсека «slim» (опция) * FDD

* DVD+/-RW Устройства для отсека 5.25″ (опция) * FDD

* DVD+/-RW

* Дополнительный жесткий диск

* встроенный источник бесперебойного питания (UPS)

* сменный контейнер с жестким диском

* система термоконтроля

* Расширитель портов Порты ввода/вывода (опция) Необходимый комплект портов согласовывается с заказчиком. Ниже приведен список (неполный) возможных портов:

* RS232, RS422, RS485

* USB 1.1, USB 2.0

* LPT

* Mic-in, Line-in, Audio-out

* S/P-DIFF

* PS/2 Mouse, PS/2 Keyboard

* VGA-out, DVI-out

* Video-in, S-video-in, Composite-in

* Video-out, S-video-out, Composite-out

* PCMCIA типа II 16-bit, PCMCIA типа II 32-bit

* LAN 10 / 100, LAN Gigabit

* Modem 56k

* 1394 (FireWire)

* CAN

* MIL-1553

Беспроводная сеть: IEEE 802.11 (опция)

GPRS-модем (опция) * Способ реализации согласовывается с заказчиком

BlueTooth (опция) * Способ реализации согласовывается с заказчиком

iRDa (опция) * Способ реализации согласовывается с заказчиком

GLONASS, GPS (опция) * Способ реализации согласовывается с заказчиком Блок питания * Встроенный блок питания, 90 — 240 В, 50 Гц, 300 — 400 Вт. Система охлаждения блока питания включает вентилятор.

* Внешний инвертор для питания изделия от бортовой сети постоянного тока, DC/AC преобразователь (опция) Виброизолирующая платформа (опция) * Повышает рабочий ресурс изделия при эксплуатации в транспортных средствах.

1.7 Выбор операционной системы

Выбор ОС очень важен, т.к. операционная система определяет, какие приложения могут быть запущены на нашем компьютере, какой вид имеет интерфейс пользователей, а также, каким образом приложения будут взаимодействовать между собой. При обработки результатов нам необходим будет Microsoft Office (Word, Excel, PowerPoint)

Из представленных на рынке операционных систем выберем наиболее распространённую Microsoft Windows Vista.

Соединение установки с компьютером возможно через стандартный кабель. Схема подключения представлена на чертеже № 3

1.8 Актуальность темы

Актуальность темы

. Лауреат Нобелевской премии, академик В. Л. Гинсбург в интервью газете «Аргументы и факты «(№ 42 2006г.) назвал одной из важнейших проблему «создание компактно-температурных сверхпроводников (КТСП), решение которой вызовет прорыв в других областях, минимизирует потери энергии так, что провода не будут греться вообще». При этом может быть достигнута колоссальная экономия ископаемых (невозобновляемых) видов углеводородов, используемых в качестве в традиционной электроэнергетике и на транспорте. Но как это сделать — пока неизвестно.

В настоящей работе рассматриваются физические принципы сверхпроводимости, достигнутые к настоящему времени результаты, акцентируется внимание на существенном прорыве, связанном с открытием высокотемпературной сверхпроводимости, сделанном в последние годы.

Сверхпроводимость интерпретируется и применительно к слаботочным контактам (СК) — где более актуально устранение дополнительных сопротивлений вызванных, при переходе тока с одной контактной поверхности на другую, образованием диэлектрических пленок (полимерных, оксидных и др.) и возникновением «фрикционной непроводимости». В качестве сверхпроводников используются благородные металлы, поверхностное сопротивление которых может равняться нулю, и где фрикционная самоорганизация позволяет получить твердость соизмеримую с твердостью стали в т. ч. без термической обработки — за счет процессов трения. 1]

Цель опытов: получение сверхпроводимости с помощью диэлектрика на неблагородном металле для скользящих контактов при комнатной температуре, с помощью трения.

Поставленные задачи:

Во втором разделе: выяснить понятия «Сверхпроводимости». Рассмотреть методы анализов проводников. Выделить основные этапы в развитии технологии для получения сверхпроводимости. Рассмотреть структуры основных видов приборов для измерения и анализа.

В третьем разделе: Рассмотреть методику, приемлемую для проверки контактного сопротивления в скользящих контактах. Приводиться описание измерительных устройств, необходимых для реализации цели. Представлены рисунки, основанные на экспериментальных данных, которые наглядно отображают проводимость различного рода проводников, полученных с помощью трения.

2. Явление сверхпроводимости в материале

2.1 Сверхпроводимость

Сверхпроводимость — физическое явление, наблюдаемое у некоторых веществ (сверхпроводников), при охлаждении их ниже определенной критической температуры (0,35−11,7К), и состоящее в обращении в нуль электрического сопротивления постоянному току и выталкивания магнитного поля из объема образца (эффект Майснера). При крайне низких температурах целый ряд веществ обладает сопротивлением, по крайней мере, в 10−12 раз меньше, чем при комнатной температуре. Изучение прохождения тока через ряд различных проводников показало, что сопротивление контактов между сверхпроводниками тоже равно нулю. В обычных проводниках под влиянием магнитного поля ток металле смещается, в сверхпроводниках это явление отсутствует. Ток в сверх проводнике как бы закреплен на своем месте. Сверхпроводимость наблюдается как у элементов, так и у сплавов и неметаллических соединений. Сверхпроводимость есть у Hg, Pb, Tl, Ta, Ti, Th, Nb, Sn (белое), Al и т. д.

2.2 Автоматизированное измерительное устройство

Установка И-189−73 предназначена для контроля и измерения параметров процесса электрического контактирования слаботочных электрических контактов. Позволяет регистрировать превышение контактного сопротивления выше установленной величины (отказы) с селекцией по длительности и амплитуде, измерять их суммарную длительность. В том числе в процессе испытания в режиме скольжения и качения. Схема подключения проверяемого скользящего контакта через соединительный жгут показана на рисунке 8.

2.2.1 Порядок работы с установкой

1) Исходное положение переключателей:

П6 — «Измерение» в положении «Стоп» ;

П1 — «Порог переходного сопротивления» в положении «1 Ом» ;

П2 — «Измерительный ток» в положении «1 мА» ;

П7 — «Индикация» в положении «Время измерения» ;

2) Подключите к установке через соединительный жгут испытуемый скользящий контакт.

3) Установить переключатель П3 «Режим работы» в положение «Скользящие контакты» Переключателем П2 «Измерительный ток» выбирается заданный ток. Переключателем П1 «Порог переходного сопротивления» устанавливается заданное значение переходного сопротивления. Переключателем П8 «Длительность отказов» устанавливается та длительность отказов, которые должны фиксироваться на индикаторном табло. Нажать клавишу «Сброс» .

4) На переключателе П6 «Индикация», снять показания счетчиков.

2.3 Формирование структуры «трибометаллокерамики»

Во многих публикациях о высокотемпературной сверхпроводимости говориться, о получении ее на основе керамических композиционных материалов, являющихся признанными диэлектриками. Получение этих проводников связано с традиционными технологиями, применяемыми в микроэлектронике. [2]

Подобные методы искусственного получения сверхпроводниковых материалов в исходном состоянии не могут гарантировать устойчивость сверхпроводимости при длительной эксплуатации, т.к. не учитывают естественных методов «самоорганизации трибосопряжений» созданных самой природой и сопровождающихся образованием на поверхности новых структур и фаз со свойствами отличными от исходных материалов. [3]

До настоящего времени идеальная проводимость перехода с одной контактной поверхности на другую достигалась за счет применения драгоценных металлов в т. ч. золота, поверхностное сопротивление, которого (после зачистки) R_П=0. Но при этом адгезионные взаимодействия двух подвижных контактов настолько высоко, что возникает схватывание (холодная сварка), что ограничивает их использование в подвижных контактах, и при больших ресурсах работы.

Вместе с тем имеют место сведения о том что устойчивые структуры обладающие низким контактным сопротивлением R_К, могут возникать и без специальной термообработки за счет процессов трения, в результате чего устойчивость такой структуры должна поддерживаться и восстанавливаться во время эксплуатации. Образование таких структур замечено не только при трении металла, но и неметаллических материалов в том числе фрикционного полимера и «трибометаллокерамики», что дает возможность в отличии от искусственного достижения неустойчивой сверхпроводимости в исходном состоянии получить ее в реальных условиях, где она может сохраняться и восстанавливаться длительное время. Идеальная проводимость скользящего контакта замечена при образовании на юнивильной поверхности взаимодействующей с парами ацетона, в результате чего проводимость совмещалась с износостойкостью т.к. возникающая при этом тонкая плотная пленка фрикционного полимера подавляла диффузию окислителя и защищала поверхность от износа. Аналогичное явление замечено при формировании диэлектрической пленки «трибометаллокерамики» которая неожиданно стала обладать контактным сопротивлением чистого металла.

Заключение

1. Обоснована необходимость и подтверждена расчётами экономическая выгода от модернизации установки, окупаемость 0,3 года.

2. Подтверждена возможность эффективного применения метода и аппаратуры для непрерывной автоматической регистрации скачков Rк выбранных уровней в комбинации с машиной трения, для выявление формирования на поверхности трения сверхпроводящих слоёв.

3. Сверхпроводящие слои могут формироваться при трении не только на основе благородных металлов, обладающих в исходном состоянии нулевым контактным сопротивлением, но и без благородных металлов на основе структурной самоорганизации высокоактивных композиций.

4. в случае закрепления результата исследований сверхпроводимости в слаботочном контакте, в будущем появляется возможность не только создания высоконадёжных контактных устройств, совмещающих противоположные свойства сверхпроводимости и износостойкости, но и достижение сверхпроводимости при комнатной температуре на неблагородных металлах, в том числе таких, которые в исходном состоянии являются диэлектриками.

5. Искусственные методы получения сверхпроводимости в в исходном состоянии не могут гарантировать её устойчивость при длительно эксплуатации, так как, не учитывают естественных процессов самоорганизации, созданные самой природой, формирующей на поверхности новые структуры со свойствами, отличными от исходных.

1. Журнал «трение и смазка в машинах и механизмах» № 1 2008г

2. Межвузовский научный сборник «проектирование и техническая диагностика автоматизированных комплексов» Саратов 1995г

3. Куранов В. Г. «Фрикционная непроводимость слаботочных контактов» Саратов 1986 г.

4. Куранов В. Г Исследование природы отказов слаботочных скользящих контактов и разработка эффективных способов повышения их надёжности и износостойкости: Дис. На соиск. учен. степ. Д-ра техн. Наук. -Киев, КИИГА, 1981.

5. Интернет: http//www.libraries.

6. Интернет: http://www.ts.ru/korvet.html

7. Интернет: http://www.windxp.com.ru/Vista/faqvista.htm

8. ГОСТ 12.1.030 — 81. ССБТ. Электробезопасность. Защитное заземление, зануление.

9. ГОСТ 12.3.019−80 ССБТ. Испытания и измерения электрические. Общие требования безопасности

10. ГОСТ 12.1.005−88. ССБТ. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны

11. СН 3223₈₅. Санитарные нормы допустимых уровней шума на рабочих местах

12. СНиП 2.04.05−91. Отопление, вентиляция и кондиционирование

13. СНиП 2.3−05−95. Нормы проектирования. Естественное и искусственное освещение