专利名称：金刚石压机顶锤断裂监控器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及超声波换能探测技术，具体地说是一种金刚石压机顶锤断裂监控器。
现在，生产人造金刚石的行业中，其生产工艺是将碳片、触媒置于人造金刚石压机的合成空腔内，通过压机进行加压、加热处理，使炭片在高温、高压条件下合成人造金刚石。空腔内的合成压力为100-110MPa，温度约1000℃。压力来源于压机的液压系统，压力方向是上、下、前、后、左、右六面加压，直接传递压力的是硬质合金制成的六个顶锤。由于顶锤长时间处于高温、高压状态下，使用一段时间后，会发生疲劳性断裂或超强度破坏性断裂。若发生断裂的顶锤未被及时发现，及时更换，继续工作，将会发生粉碎性断裂。由于人造金刚石的合成腔体内处于高温高压状态，当顶锤发生粉碎性断裂时即产生爆炸，俗称“放炮”。发生“放炮”事故同时会损坏其它部位顶锤及部件，甚至造成人身伤害。判断顶锤是否即将发生断裂，目前是依靠操作工人的实践经验，主要凭听觉加以判断，如听到断裂声音立即停机。但是，若顶锤缓慢断裂时声音过小，环境噪声大或操作工人经验不丰富，都可能发生“放炮”事故。能够监控金刚石压机顶锤断裂情况的仪器目前尚未见到。
本实用新型的目的是提供一种金刚石压机顶锤断裂监控器，它能够判别压机顶锤是否断裂，一旦发生断裂情况就自控停机，防止爆炸事故发生，保证安全生产。
为了达到上述目的，本实用新型是这样实现的该监控器包括压机顶锤和冷却水安装体，其特征在于，它还包括六通道超声波换能传感器，分别安装在前、后、左、右、上、下各顶锤大垫块上冷却水安装体上端的安装座内，由空腔中的空气作传递介质来接收超声波信号，每一个传感器的信号输出端各自与一个前置放大器的输入端相连接，前置放大器的输出端与一个带通滤波器的输入端相连接，带通滤波器的输出端与一个中间放大器的输入端相连接，中间放大器的输出端与一个包络线检波器的输入端相连接，包络线检波器的输出端与一个判别电平比较器的负向输入端相连接，各判别电平比较器的输出端分别连接一个三端输入三“或”门的AN1～AN6口，三“或”门的输出端按顺序与微处理器的地址线A0、A1、A2口相连接，一个故障指示器的6个输入端和一个单“或”门的6个输入端则连接在微处理器的相应输出接口Q1～Q6上，一个停机控制器和一个声光报警器的输入端并接在单“或”门的正输出端上，一组正、负稳压电源向所述的各电路供电。
本实用新型的优点是1、可防止“放炮”事故发生，保证生产安全；2、判断故障及时准确，准确度达95％，通常凭听觉判断顶锤断裂情况至采取措施停机约需5～10秒钟，用本监控器监测，一有断裂情况发生，10ms内可立即自动停机，能及时控制断裂故障恶化，消除事故隐患；3、可消除操作工人因担心发生事故的精神紧张状态，减轻劳动强度，提高劳动生产率；4、能节约维修费用，降低生产成本。
图1是本监控器的传感器和安装体部分的结构示意图。
图2是主机部分的结构示意图。
图3工作原理框图。
图4是电路图的超声波换能传感器和前置放大器部分。
图5是电路图的带通滤波器、中间放大器、包络线检波器和判别电平比较器部分。
图6是电路图的信号处理和故障指示部分。
图7是电路图的停机控制器和声光报警器部分。
图8是电路图的稳压电源部分。
以下结合附图对本实用新型作进一步详细地描述。
在图1中，13是人造金刚石压机顶锤的大垫块，安装体2焊接于大垫块13上，因为被监控的物体表面有140℃左右的高温，设置了冷却水管道3流水冷却降温，此外，压机的导电锤上存在有12V电压、100A左右的电流，还有一定的磁场和油污，会对检测产生影响，所以，超声波换能传感器不能直接与被监控物体接触，把它置于冷却水管上面的安装座内，由空腔内的空气作传递介质，排除了外界环境条件的干扰。4是屏蔽罩，5是传感器的谐振片，6是激励器，7是固定架，8是底板，9是前置放大部分的印刷电路板，10是电路板的固定螺钉，11是外壳，12是传输线。
图2是主机部分的结构示意图。16是机箱，它的前面板上装有故障指示灯21，一排共有6个，分别代表和指示金刚石压机前、后、左右、上、下各顶锤的故障，例如从左到右第一个指示灯亮，说明前顶锤出现了故障，如下类推，20是电源开关，19是手动复位开关，用于清零，18是自动、手动控制倒换开关，17是扬声器开关，15是传输线插座，用于将主机与传感器连接，14是自动控制输出的接线柱，22是电源部分的线路板，23是电源箱，24是安装主机电路元器件板，25是电路板的固定螺钉，26是机箱盖，27是机箱盖的固定螺钉。
图3是工作原理框图。当被监控的金刚石压机顶锤在发生断裂前的瞬间，会发射出uV～mv数量级的超声波(双箭头所示)，这个信号被超声波换能传感器接收，并转换成电信号送入前置放大器将信号放大后，经带通滤波器滤除机械噪声和低频干扰信号，然后送入中间放大器作进一步放大，放大了的信号由包络线检波器检出有用信号，输出方向不变的锯齿波信号至判别电平比较器进行比较，由比较器转换成矩形波输出，送入信号处理电路处理确认后，由信号处理器将信号分送给故障指示器、停机控制器和声光报警器，从而完成故障指示、自控停机和声光报警任务。
图4是电路图的超声波换能传感器和前置放大器部分。由图可见超声波换能传感器T1连接在前置放大器A1的正向输入端，T1的频率范围是30KHZ～100KHZ。前置放大器由A1、V1、V2及外围元件C1～C5、R1～R10构成，其中C1为滤波电容，用于滤除从电源来的杂散电干扰，R1～R3组成分压电路，以保证加在T1两端的工作电压为7V左右，R5为反馈电阻，调整它可以改变A1的增益，C4是耦合电容，R6、R7是V1的偏置电阻，C4与R7同时构成一阶高通滤波器，下限截止频率为28.4KHZ，以滤除机械噪声，V2集电极上的a点。是信号的输出端，它与图5中的a点相连接。
图5是电路图的带通滤波器、中间放大器、包络线检波器和判别电平比较器部分。带通滤波器由R11、R12、C6、C7构成，其通带频率为28.4KHZ＜f＜102KHZ。中间放大器由A2及外围元件R13～R17、C8构成，调整R17可以改变中放的增益，L1是高频滤波电感，C9、C10分别是正、负电源的滤波电容。包络线检波器由VD1、A3、R18～R20和积分电容C11构成，L2是滤波电感，C12、C13分别是正、负电源的滤波电容。判别电平比较器由A4及外围元件VD2～VD4、R21～R27、C14、C15、C18构成，L3是滤波电感，C16、C17分别是正、负电源的滤波电容，AN1是信号输出端。从超声波换能传感器～判别电平比较器一共有六个通道，由于电路结构完全相同，为了节省篇幅，图中只给出一个通道的电路，这六个通道的输出接口分别与图6中AN1～AN6口相连接。
图6是电路图的信号处理和故障指示部分。信号处理器由微处理器D2，(使用型号为MC14599)，三输入端三或门D1，它们的输出端分别连接D2的地址线A0、A1、A2，输入端或门D3，非门D4以及外围元件R28～R32，R19～C22构成，其中C20与R30组成自动复位清零电路，VB是手动复位清零按钮，R40、V3、R33、VD5构成信号处理器的工作状态监视，正常工作时VD5亮，AN1～AN6是前面各通道来的信输入接口，b点是自控停机和声光报警信号的输出端。故障指示器由V4～V9，R34～R46以及发光二极管VD6～D11组成六个监视目标(与金刚石压机的前、后、左、右、上、下顶锤相对应)的故障指示，它们的输入端和单或门D3的6个输入端I1～I6一起，分别对应连接在D2的输出端口Q1～Q6上，Q1～Q6与AN1～AN6一一对应，当六个目标中的某一个发生故障时，对应的发光二极管亮，或门D3有输出，即b点有输出，该点与图7的b点相连接。
图7是电路图的自控停机和声光报警部分。自控停机由与非门D6、反相器D5、D7、开关三极管V10、继电器K、二极管VD13、VD13电阻R47、R48电容C23构成，其中R47与C23组成延时触发电路，用于当故障信号从b点进入与非门D6瞬间使D6输出低电平，经反相器D7反相向开关管提供导通偏置电流，继电器吸合。触发信号过后，C23通过D5放电，偏置随之消失，继电器K恢复初始状态。VD14是防止反向击穿保护二极管，用以保护V10。S1是自动与手动的选择开关，VD13和R49组成自控停机电路工作指示灯。声光报警由D9、D10、V12～V16，A5、VD16、C26～C29、R53～R60以及扬声器BL构成，L4和C24、C25是电源的滤波电感和电容，V14、V15组成单稳态多谐音频振荡器，通过V16不断触发A5的复位端MR，使A5跟着振荡并由A5推动扬声器BL。VD16是随振荡器频率闪光的光报警二极管。D9、D10和V12、V13组成电子开关，控制声光报警，电子开关受控于b点来的信号。S2是控制BL发声的手动通断开关。D8、V11、VD15、R50～R51组成报警监控指示，系统正常工作时，VD15亮，一旦出现故障，VD15息灭。b点是自控停机和声光报警电路的共同输入端。
图8是电路图的稳压电源部分。它由抗干扰电路、变压器、桥式整流、电容滤波和三端稳压集成块组成，L5、L6、C30～C36、构成抗干扰电路，T2是降压变压器，VR1、VR2是桥式整流器，L7～L9是滤波电感，C38～C44是滤波电容，IC1～IC3是三端稳压源。这是普通的典型稳压电源，它向整个电路提供稳定的正、负直流工作电源，其中IC3提+5V电源，IC1提供+12V电源，IC2提供负12V电源。
整个电路的工作过程是接通电源，D2自动清零，电路处于待命状态，当被监控的物体正常时，故障指示器的各指示灯均不亮，声光报警电路也不工作。当被监控的金刚石压机的六个顶锤中的某一个顶锤例如前顶锤出现故障，在发生断裂前的瞬间，发射出超声波，这个信号通过安装体空腔被图4中的T1接收，并转换为电信号送入A1的正输入端，信号经A1放大，由一阶高通滤波器C4与R7滤除机械噪声后，通过V1、V2放大从a点输出，经图5a点进入由R11C6、C7、R14组成的带通滤波器，滤除高于100KHZ和低于30KHZ的各种干扰信号，再送入中间放大器A2作进一步放大，放大了的信号从A2输出，由VD1进行包络线检波，再经A3将信号进行积分处理后，得到单方向的近似锯齿波，通过VD2、R21进入判别比较器A4的负输入端，经A4与判别电平进行比较后由A4输出矩形波经VD3、R26从AN1输出，送至图6中微处理器中的D1的AN1输入端，微处理器D2使用了MC14599集成块，它的数据端D和读写控制端W/R经电阻R28接+5V电源，被置于高电平，因此该电路被置成“只写”模式，即从数据端往地址指定的锁存器送数，由于D端始终接高电平，所以写入锁存器的数据只能为高电平有效。禁止端WD和片选端受或门D3的正输出端控制，地址线A0、A1、A2受三输入三“或”门D1的三个输出端控制，六个通道的判别比较器的六个输出端分别与三输入三“或”门的六个输入端AN1～N6对应连接，AN1～AN6与D2输出端的Q1～Q6相对应，组成了二进制地址编码电路，各通道对应的地址码如下A0＝AN1+AN3+AN5A1＝AN2+AN3+AN6A2＝AN4+AN5+AN6这样，当D1的输入端AN某路出现高电平时，必定有相应的地址码输入，例如AN1为“1”时，将AN1代入上式A0＝1，A1＝0，A2＝0，其地址码从高位到低位为A2、A1、A0＝001，必然有数据端D的高电平被锁入Q1，即Q1＝“1”。这个信号从Q1分两路输出，一路送入故障指示器对应的输入端经R46，使V9导通，驱动D10发光；指示出AN1通道监控的目标发生故障，另一路送入D3的相应输入端I1，D3输出为“1”，该信号从图6的b点输出送至图7的b点，也分两路，一路经D9、D10驱动电子开关V12、V13导通，启动声光报警器工作，此时扬声器发出报警声，发光二极管VD16随振荡频率闪动，另一路送入与非门D6，经D7、R48、VD12触发V10导通，继电器K动作自动停机，此后C18经R47、D5放电，继电器恢复初始状态，从而完成故障指示，自控停机和声光报警任务。其它通道的工作过程完全一样，所区别的是写入的地址码不同，即当某AN有翻转信号后，则有对应的Q输出，其余类推。
为了保证金刚石压机的六个顶锤中当某个方位的顶锤发生断裂故障后，只有该通道对应的锁存器有输出，不受其它通道后到信号的影响，使用了片选端CE和禁止端WD实现D端悬浮对数据输入的封锁，其具体过程如下当D2复位后，Q1～Q6均复位为“0”，D3输出为“0”，WD为“0”，D4输出为“1”，CE为“1”，电路被选中允许写入状态；当某个AN为高电平后，对应的锁在器Q有输出，因此D3输出为“1”，WD为“1”，D4输出为“0”，CE为“0”，电路不被选中，处于被禁止写入状态，从而封锁了数据输入(D端浮空)，使后到的其它信号不能进入。这就保证了被监控的顶锤中发生断裂故障的那个顶锤的通道信号能进入的唯一性，其后到的其它信号不起作用。
权利要求1.一种金刚石压机顶锤断裂监控器，它包括，压机顶锤和冷却水安装体，其特征在于，它还包括六通道超声波换能传感器，分别安装在前、后、左、右、上、下各顶锤大垫块(13)上冷却水安装体(2)上端的安装座内，由空腔中的空气作传递介质来接收超声波信号，空腔中设屏蔽罩(4)、谐振片(5)和激励器(6)，每一个传感器的信号输出端各自与一个前置放大器的输入端相连接，前置放大器的输出端与一个带通滤波器的输入端相连接，带通滤波器的输出端与一个中间放大器的输入端相连接，中间放大器的输出端与一个包络线检波器的输入端相连接，包络线检波器的输出端与一个判别电平比较器的负向输入端相连接，各判别电平比较器的输出端分别连接一个三端输入三“或”门的AN1～AN6口，三“或”门的输出端按顺序与微处理器的地址线A0、A1、A2口相连接，一个故障指示器的6个输入端和一个单“或”门的5输入端则连接在微处理器的相应输出接口Q1～Q6上，一个停机控制器和一个声光报警器的输入端并接在单“或”门的正输出端上，一组正、负稳压电源向所述的各电路供电。
2.按照权利要求1所述的金刚石压机顶锤断裂监控器，其特征在于它的前置放大器A1的正输入端与超声波换能传感T1的输出端相连接，前置放大器的输出端晶体三极管V2集电极的a点与带通滤波器的输入端R11相连接，带通滤波器的输出端C6通过R15与中间放大器A2的正输入端相连接，中间放大器A2的输出端与包络线检波器输入端晶体二极管VD1正端相连接，包络线检波器的A3输出端与判别电平比较器输入端的晶体二极管VD2的负端相连接，判别电平比较器的输出端接AN口，从超声波换能传感器起到判别电平比较器的输出端止一共有六个电路完全相同各自独立的六路通道，每个通道监视一个顶锤，判别电平比较器的输出接口分别为AN1-AN6。
专利摘要本实用新型提供了一种金刚石压机顶锤断裂监控器，它是在压机的合成腔体外六个加压顶锤的各垫块上设一空腔安装体，腔内装超声波换能传感器，将检测到的断裂信号转换为电信号，经放大、滤波、检波、比较、信号处理后声光报警指示故障方位并自控停机。该监控器采用超声波探测与电子技术相结合，对压机顶锤工况进行自动监控，解决了生产过程中凭人的听觉判断故障的落后状况，能消除事故隐患防止顶锤爆炸、保证安全，提高生产效率，降低维修费用，非常适合人造金刚石生产行业使用。
文档编号G01N29/04GK2243081SQ9521119
公开日1996年12月18日 申请日期1995年5月19日 优先权日1995年5月19日
发明者王林, 顾茂林 申请人:王林