Profilletapogatásos érdességmérő mérőjel-átalakító rendszere

Profilletapogatásos érdességmérő mérőjel-átalakító rendszere

Pálinkás Tibor gépészmérnök, műszerfejlesztő; BMF-BGK
palinkas.tibor@bgk.bmf.hu

A következőkben egy saját fejlesztésű érdességmérő berendezés analóg jelkondicionáló áramköri részletét mutom be röviden. A műszert kutatási célra fejlesztettem ki, így többek között elvárható tőle az igen nagy (nanométer nagyságrendű) felbontás és a jó hosszúidejű stabilitás. Ebben a cikkben csak a tapintótű elmozdulását villamos jelekké átalakító áramkörre és annak segédáramköreire szorítkozom. Az érdességmérő másik lényeges részegységével, a mikrokontroller vezérlésű vontatórendszerrel talán egy más alkalommal foglalkozom.

A tapitófej

A tapintófej jól bevált, neves, érdességmérő műszereket gyártó cégek által is követett konstrukciós elveken alapul. A felépítését most csak nagyon vázlatosan szemléltetjük (1. ábra). Az érzékelő alaptestjébe két fél ferrit fazékvasmag van beragasztva, mindkettő 2-2, egymástól galvanikusan független tekercset tartalmaz. Az alaptesthez az itt csak jelképesen ábrázolt keresztrugós csuklóval kötődik a himba. A lehetőségekhez képest merev himba üregeiben két ferrittárcsa helyezkedik el úgy, hogy a himba alaptesttel párhuzamos helyzetében ezek szabad síkja is párhuzamos a fazékfelek homloksíkjával. A légrések ilyenkor névlegesen 150 mm-esek.
A himba meghosszabbítása a könnyű, de kellően merev tapintókar (titáncsövecske), a végén a tapintócsúccsal. Ez utóbbi szabványos csúcsgeometriájú (90°-os kúpszögű, 2 mm-es lekerekítési sugarú) apró gyémánttű.
Az egész szerkezet letapogatás közben rendkívül precízen egyenesbe vezetve mozdul el egyenletes, névlegesen 0,5 mm/s sebességgel a nyíllal jelzett vontatási irányban. Közben a gyémánttű követi a letapogatandó felület egyenetlenségeit, így a himba a csukló tengelye körül folyamatosan ide-oda billen, tehát a légrések ellentétes értelemben állandóan változnak.
A tapintófej ezen része végső soron egy „kétfelé vágott”, változó légrésű differenciáltranszformátor, amelyben mind a megosztott primer, mind a megosztott szekunder tekercsek sorba vannak kapcsolva. A mérőjel-átalakítónak így négy kivezetése van.
Természetesen a tapintófejnek és az itt még vázlatosan sem ismertetett egyenesbevezetésének a mechanikai kialakítása rendkívül stabil és merev, a tekercsek és a mágneskörök kivitelezésénél pedig a lehető legjobb szimmetria elérésére törekedtünk.

Az analóg áramköri rendszer

A 2. ábra kapcsolási rajza alapján elkészült áramkör feladatai:
- a tapintótű elmozdulásával (közel) egyenesen arányos mérőjel előállítása,
- a tapintótű méréstartományon belüli pillanatnyi helyzetének tájékoztató jellegű indikálása és a tartós, ill. impulzusszerű túlvezérlés jelzése,
- szimmetrikus mérőjelkimenet biztosítása a PC-ben elhelyezett DAQ számára.

A jelkondicionáló áramkör alapja az IC2 AD698 tok, amelyet az [1]-ben részletesen bemutattam. Éppen a rendszertől megkívánt igen nagy (1 nm-es) felbontás miatt azonban a csip átviteli tényezőjét az R10 ellenállással olyan nagyra kellett volna megválasztani, ami a stabilitás rovására menne: a kimeneti feszültség driftje megengedhetetlenül megnövekedne.
A megoldást a differenciáltranszformátor és az IC szimmetrikus AIN bemenetpárja közé beiktatott szimmetrikus jelerősítő (IC1) jelenti, amelynek az erősítése az R5, P2 vagy az R6, P3, ill. az R7, P4 beiktatásával a kívánt méréstartományoknak megfelelően beállítható. A C2, R7 és a C3, R8 tag az előerősítő és az IC2 közötti DC elválasztásra szolgál.
Az IC2 belső oszcillátorának a frekvenciáját a C4-gyel 20 kHz-re, a jelfeszültséget az R9-cel 5 V-ra, a belső szűrők törésponti frekvenciáját a C5, a C6 és a C7 tagokkal 2 kHz-re állítotam be. (Az ábrán feltüntetett lábszámozás a PLCC-tokénak felel meg.)
Az AD698-nak egyetlen jelkimenete van (SIGOUT), ahol esetünkben a névleges méréstartományokhoz ±5 V-os jeltartomány tartozik. A tapasztalatok szerint mindenképpen földszimmetrikus kimenetre van szükség, mert a műszert a PC DAQ-jának analóg bemenetével összekötő kábelen fellépő földhurok okozta hálózati brumm más módszerrel gyakorlatilag kiküszöbölhetetlennek bizonyult.
A jelszimmetrizálásra az ilyen alkalmazásokban szokatlan eszközt választottam: egy eredetileg stúdiótechnikai célokra kifejlesztett, Howland-féle szimmetrizáló hálózatot tartalmazó IC-t (IC5).
A kapcsolás további részleti (IC3, 4, 6 és áramköri környezetük) a tűhelyzet-indikátorhoz, ill. a LED-es túlvezérlés-indikátorhoz tartoznak. Utóbbi az impulzusszerű méréshatár-túllépéseket is jelzi. A tapintótű helyzetéről az M mutatós indikátorműszer folyamatosan tájékoztat. (Ide egy középnulla-állású műszer kívánkozott volna, de ilyen nem állt a rendelkezésemkre. A korszerűbb, LCD-sávos kijelzővel sem rendelkeztem, a LED-sávos pedig túlterhelte volna a tápáramkört. Ezért maradtam a már-már korszerűtlen Deprez-műszernél.) A 0 bemeneti feszültség esetén a mutató skálaközépen állásáról az OP6 neminvertáló bemenetének –2,5 V-os eltolása gondoskodik.
Az indikátoráramkört tovább nem fejtegetjük; a részletes leírását az érdeklődők a [2]-ben megtalálhatják. Az ott ismertetett kapcsolás csak jelentéktelen részletekben tér el a 2. ábrán láthatótól.

Kalibráció, méréshatárváltás

A rendelkezésre álló, régebbi fejlesztésű DAQ analóg csatornáihoz tartozó A/D átalakító 14 bit, azaz 16 384 kvantálási egység felbontású. Tekintettel a nullszimmetrikus méréstartományra, ez 8096 egységként értelmezendő. Mivel a bemenetek túlvezérlést a kártya nem indikálja, az egyszerűség kedvéért a méréstartományt 8000 egységre korlátozzuk, az ezt abszolút értékben meghaladó adatokat túlvezérlésnek tekinti a műszert kezelő program.
Mivel a legkisebb méréstartományban a megkívánt felbontás 1 nm, a méréstartomány 8 m nagyságú. A következő méréstartomány 80 m-es, a harmadik 160 m-es. Ezekhez rendre kb. 50-szeres, 5-szörös, ill. 2,5-szörös feszültségerősítést kell az AC-erősítőn beállítani. (A kalibrálás a P2...P4-gyel történik). Megjegyzem, hogy a differenciáltranszformátoros mérőjelátalakító átviteli karakterisztikája mintegy 0,3% linearitáshibával rendelkezik, amit a program töréspontos közelítéssel kompenzál. Ez némileg rontja a tényleges felbontást. Előfordulhat, hogy az erősítéseket beállító tagok megadott értékei mellett a kívánt méréstartományok nem állíthatók be. Ekkor legegyszerűbb az AD698 DC-erősítését megváltoztatni, az R20 cseréjével.
Alaphelyzetben az R7, P4 tag határozza meg a 2,5-szörös feszültségerősítést, azaz a legnagyobb méréstartományt. Ha a 2. ábrán J2/a-val jelölt jelfogókontaktus zár, akkor az alaptaggal párhuzamosan kapcsolódik az R6, P3, miáltal az erősítés 5-szörösre nő. Ha viszont a J1/a záródik, akkor az R5, P2 kapcsolódik az alaptaghoz, beállítva a legnagyobb deklarált erősítést. Megjegyzem, hogy ha mindkét relé meghúzna, akkor az erősítés még nagyobb lenne, de erre az adott feladathoz nem volt szükség. Természetesen ez a „hibás” üzemállapot sem okozná az rendszer tönkremenetelét, ezért a relévezérlő áramkör (3. ábra) nem tartalmaz reteszelést.
A két, névlegesen 12 V meghúzó-feszültségű jelfogót az IC7, kétáramkörös meghajtó működteti, a DAQ két portvonala (itt PA, ill. PB) által vezérelve. Az IC7 tápellátását a DAQ portcsatlakozójára kivezetett +5 V-os PC-táp fedezi. A relék három-három váltókontaktussal rendelkeznek, hogy a kiválasztott méréshatárt jelző LED-eket (LED1…LED3) egyszerűen aktiválhassuk. Nyugalmi helyzetben a LED1 világít. Ha a J1 húz meg, akkor a kijelzés átvált a LED2-re, ha a J2, akkor a LED3-ra. Hibás vezérlés esetén  ami praktikusan programhiba esetén fordulhat elő  egyidejűleg mindkét jelfogó meghúz. Ekkor a J2/c bontja a LED1 áramkörét, így egyik LED sem működik.

Irodalom:
1. Pálinkás Tibor: Differenciálkondenzátor illesztése egyszerűen és korszerűen (ELEKTROnet
2003/2.; 7375. o.)
2. Pálinkás Tibor: Méréshatár-/túlvezérlés-indikátor ipari mérőműszerhez (Rádiótechnika 2006/8.; 430431. o.)