СЕЛЕКТИВНЫЙ ДАТЧИК КОНТРОЛЯ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ
NON-METAL MONITORING SENSOR

Изобретение относится к области автоматизации производственных процессов в машиностроении и предназначено для контроля положения неметаллических изделий и исполнительных органов технологического оборудования без механического контакта с ними.
Известен датчик, содержащий емкостной чувствительный элемент, выполненный в виде токопроводящей пластины, последовательно соединенные мультивибратор, к входу которого подключен емкостной чувствительный элемент, детектор, пороговый элемент, а также выходную клемму, являющуюся выходом датчика (см. журнал "Радио", №10, 2002 г., стр.39, рис.5). Однако такой датчик не обладает свойством селективности (избирательности) в отношении контролируемых им неметаллических изделий, так как он в одинаковой степени реагирует как на неметаллические, так и на металлические изделия. Это приводит к тому, что такой датчик не позволяет решать, например, задачи избирательного контроля неметаллических деталей на операции их сортировки, поступающих в зону контроля такого датчика вперемешку с металлическими деталями. Кроме того, такой датчик обладает низким уровнем надежности, так как посторонние металлические предметы вызывают ложные срабатывания при случайном попадании их в зону действия электрического поля емкостного чувствительного элемента датчика, когда он находится в исходном состоянии, а контролируемое им неметаллическое изделие находится за пределами зоны действия его чувствительного элемента. При этом ложные срабатывания проявляются в виде появления на выходе датчика импульсов напряжения с уровнем логической "1".
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является датчик, содержащий емкостной чувствительный элемент, выполненный в виде токопроводящей пластины, последовательно соединенные мультивибратор, ко входу которого подключен емкостной чувствительный элемент, детектор, первый пороговый элемент, последовательно включенные генератор электрических колебаний и второй пороговый элемент, а также индуктивный чувствительный элемент, подключенный к цепям колебательного контура генератора электрических колебаний, регулировочный резистор, включенный в цепь отрицательной обратной связи генератора электрических колебаний, инвертор, логический элемент И, первый вход которого подключен к выходу первого порогового элемента, второй выход - к выходу инвертора, выходную клемму, соединенную с выходом логического элемента И и являющуюся выходом датчика (см. RU 2346349 "Селективный датчик контроля изделий", опубликовано 10.02.2009, бюл. №1).
Однако такой датчик обладает ограниченными функциональными возможностями при применении на объекте эксплуатации. Это вызвано тем, что первая и вторая катушки индуктивности индуктивного чувствительного элемента, между которыми помещен емкостной чувствительный элемент, установлены вдоль прямой линии и образуют чувствительный элемент датчика. В связи с этим возникает необходимость монтажа на объекте эксплуатации с обязательным ориентированием корпуса чувствительного элемента датчика таким образом, чтобы перемещение контролируемых изделий осуществлялось вдоль линии размещения катушек индуктивности и емкостного чувствительного элемента датчика. При ограниченном пространстве для монтажа датчика и зоны контроля изделий на объекте эксплуатации такая ориентация датчика не всегда представляется возможной вследствие сравнительно большого размера той стороны корпуса датчика, которая определяется размерами катушек индуктивности и емкостного чувствительного элемента датчика вдоль линии их расположения. В этом случае возникает необходимость ориентировать датчик другой стороной меньшего размера его чувствительного элемента и вводить дополнительно устройства ориентации и подачи контролируемых изделий в зону их контроля, габаритные размеры которых также не всегда позволяют установить эти устройства в зоне контроля в условиях ограниченности ее пространства и фиксированной геометрической формы этой зоны. Выполнение же корпуса датчика квадратной или цилиндрической формы приводит к увеличению габаритных размеров корпуса чувствительного элемента датчика, так как при этом габаритные размеры корпуса чувствительного элемента определяется его большей стороной. И в этом случае положительный результат также не достигается.
Вместе с тем такая конструкция чувствительного элемента датчика не обеспечивает надежности его работы и сохранения селективности датчика в отношении неметаллических изделий при случайном попадании посторонних металлических предметов в зону действия электрического поля емкостного чувствительного элемента датчика в направлении, перпендикулярном линии, вдоль которой размещены емкостной чувствительный элемент и катушки индуктивности индуктивного чувствительного элемента датчика. При этом происходят ложные срабатывания датчика, когда он находится в исходном состоянии, а контролируемое неметаллическое изделие находится за пределами зоны действия его чувствительного элемента. Ложные срабатывания датчика проявляются в виде появления на его выходе ложных импульсов напряжения с уровнями логической "1". Причем происходит это в том случае, когда размеры посторонних предметов не больше, чем размеры емкостного чувствительного элемента, т.е. посторонние предметы случайно попадают только в зону действия электрического емкостного чувствительного элемента датчика, а взаимодействия их с электромагнитными полями катушек индуктивности индуктивного чувствительного элемента датчика не происходит. В этом случае от посторонних металлических предметов происходит формирование на выходе первого порогового элемента датчика ложных импульсов напряжения с уровнем логической "1", которые проходят на выход логического элемента И и выходную клемму датчика, так как при этом на второй вход логического элемента И с выхода инвертора подано разрешающее прохождение импульсов напряжение с уровнем логической "1". В результате снижается надежность работы датчика, и происходит потеря им селективности к контролируемым неметаллическим изделиям. Т.е. в этом случае датчик обладает низким уровнем надежности в работе и ограниченной селективностью к контролируемым неметаллическим изделиям. Этот недостаток обусловлен тем, что при размещении катушек индуктивности индуктивного чувствительного элемента и емкостного чувствительного элемента не происходит полного охватывания электромагнитным полем индуктивного чувствительного элемента электрического поля емкостного чувствительного элемента в плоскости, параллельной плоскостям открытых торцов ферритовых сердечников индуктивного чувствительного элемента и проходящей в пределах одновременного действия электромагнитного и электрического полей датчика. При этом схватывание электромагнитным полем индуктивного чувствительного элемента электрического поля емкостного чувствительного элемента происходит только частично вдоль линии расположения катушек индуктивности индуктивного чувствительного элемента и емкостного чувствительного элемента датчика. Но в направлении, перпендикулярном линии, вдоль которой размещены емкостной чувствительный элемент и катушки индуктивности индуктивного чувствительного элемента датчика, такое схватывание отсутствует.
Решаемая изобретением задача - расширение функциональных возможностей датчика при эксплуатации путем упрощения и изменения конструкции, уменьшения его габаритных размеров, а также повышение уровней надежности его работы и селективности к неметаллическим изделиям путем устранения его ложных срабатываний от посторонних металлических объектов.
Решаемая задача достигается тем, что датчик, содержащий последовательно включенные мультивибратор с емкостным чувствительным элементом, подключенным к его входу и выполненным в виде токопроводящей пластины, детектор, первый пороговый элемент, последовательно соединенные генератор электрических колебаний с индуктивным чувствительным элементом, включенным в цепь его колебательного контура, второй пороговый элемент, а также инвертор, первый логический элемент И, первый и второй входы которого соединены с выходами соответственно первого порогового элемента и инвертора, а выход его является выходом датчика, при этом индуктивный и емкостной чувствительные элементы образуют чувствительный элемент датчика, а поверхность открытого торца ферритового сердечника и одна из плоских поверхностей емкостного чувствительного элемента, направленная в сторону этого торца, образуют чувствительную поверхность датчика, причем дальность действия электромагнитного поля у открытого торца ферритового сердечника вдоль его оси симметрии, перпендикулярной поверхности открытого торца ферритового сердечника, превышает дальность действия электрического поля емкостного чувствительного элемента вдоль его оси симметрии, перпендикулярной его плоским поверхностям, снабжен вторым логическим элементом, первый и второй входы которого подключены к выходам соответствующих пороговых элементов, выход - к входу инвертора, а индуктивный чувствительный элемент выполнен в виде катушки индуктивности, помещенной в цилиндрическом пазу открытого торца ферритового сердечника с центральным сквозным отверстием, внутри которого установлен соосно с этим отверстием емкостной чувствительный элемент с геометрической формой, повторяющей геометрическую форму центрального сквозного отверстия ферритового сердечника, со смещением относительно открытого торца ферритового сердечника вдоль оси симметрии его центрального сквозного отверстия в сторону закрытого торца ферритового сердечника, причем одна из плоских поверхностей емкостного чувствительного элемента, направленная в сторону открытого торца ферритового сердечника, установлена параллельно поверхности этого торца.
На фиг.1 представлена функциональная схема датчика; на фиг.2 - схема взаимного расположения в пространстве емкостного чувствительного элемента, индуктивного чувствительного элемента и контролируемого изделия; на фиг.3 и фиг.4 - диаграммы напряжений, поясняющие работу датчика в режиме селективного контроля неметаллических изделий.
Датчик содержит (см. фиг.1) последовательно соединенные мультивибратор 1 с емкостным чувствительным элементом 2, подключенным к его входу, детектор 3, первый пороговый элемент 4, последовательно включенные генератор электрических колебаний 5 с индуктивным чувствительным элементом 6, подключенным к цепям его колебательного контура, и регулировочным резистором 7 для настройки генератора 5, включенный в цепи его отрицательной обратной связи второй пороговый элемент 8, а также инвертор 9, первый логический элемент И 10, первый и второй входы которого соединены с выходами соответственно первого порогового элемента 4 и инвертора 9, второй логический элемент И 11, первый и второй входы которого подключены к выходам соответственно первого и второго пороговых элементов 4 и 8, выход - ко входу инвертора 9, выходную клемму 12, соединенную с выходом первого логического элемента И 10 и являющуюся выходом датчика.
Мультивибратор 1 выполнен, например, по схеме симметричного автогенератора прямоугольных импульсов на основе операционного усилителя (см. книгу Шило В.Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: "Сов. радио", 1974, с.175, рис.4.42, а).
Детектор 3 выполнен, например, по схеме диодного пассивного преобразователя амплитудных значений переменного напряжения в постоянное с последовательным включением выпрямительного диода и с выходной нагрузкой в виде параллельной RC-цепи (см. книгу Волгин Л.И. Измерительные преобразователи переменного напряжения в постоянное. М.: "Сов. радио", 1977, с.174, рис.4.9, б).
Первый и второй пороговые элементы 4 и 8 выполнены, например, по схеме триггера Шмитта.
4
Генератор электрических колебаний 5 (см. фиг.1) выполнен, например, по схеме автогенератора электрических колебаний с индуктивной трехточкой на основе транзистора (см. SU 14118778, кл. МКИ G06M 3/00, опубликовано 23.08.1988, бюллетень №31). Установка амплитуды генерируемых электрических колебаний генератора 5 при его настройке регулировочным резистором 7 производится на таком уровне, чтобы дальность действия электромагнитного поля 15 у открытого торца чашки ферритового сердечника 14 в направлении его оси симметрии, перпендикулярной плоскости торцевой поверхности чашки ферритового сердечника 14, превышала дальность действия электрического поля 16 емкостного чувствительного элемента 2 вдоль его оси симметрии, перпендикулярной его плоским поверхностям (см. фиг.2). Такая настройка резистором 7 генератора обеспечивает гарантированную возможность последовательного взаимодействия контролируемых изделий и посторонних металлических предметов, сначала с электромагнитным полем 15 индуктивного чувствительного элемента 6, а затем с электрическим полем 16 емкостного чувствительного элемента 2 при перемещении их в осевом направлении, и тем самым реализации принципа действия датчика в режиме селективного контроля неметаллических изделий при перемещении их в осевом направлении, а также устранения его ложных срабатываний от посторонних металлических предметов, попадающих в зону действия чувствительного элемента датчика.
Индуктивный чувствительный элемент 6 включает в себя катушку индуктивности 13, ферритовый сердечник 14 в виде чашки, имеющей открытый и закрытый торцы, а также центральное сквозное отверстие вдоль ее оси симметрии, перпендикулярной плоскости открытого торца чашки. Со стороны открытого торца чашки ферритового сердечника 14 установлена обмотка катушки индуктивности 13. У открытого торца чашки ферритового сердечника 14 при подаче высокочастотного сигнала на катушку индуктивности 13 с генератора 5 образуется в воздушном пространстве высокочастотное электромагнитное поле 15. Магнитный поток этого поля замыкается через воздушное пространство между внутренним кольцевым выступом чашки, установленным внутри центрального сквозного отверстия катушки индуктивности 13 и наружным кольцевым выступом чашки, охватывающим своей внутренней боковой поверхностью наружную боковую поверхность катушки индуктивности 13 по ее периметру. Причем перед закрытым торцом чашки в воздушном пространстве высокочастотное электромагнитное поле не возникает, так как его магнитный поток замыкается внутри сердечника через сплошной слой феррита, образующий закрытый торец чашки. При этом происходит экранирование этим слоем электромагнитного поля со стороны закрытого торца ферритового сердечника 14. Индуктивный и емкостной чувствительные элементы 6 и 2 образуют чувствительный элемент датчика, а поверхность открытого торца чашки ферритового сердечника 14 и одна из двух плоских поверхностей емкостного чувствительного элемента 2, направленная в сторону открытого торца ферритового сердечника 14, установлены параллельно между собой и образуют чувствительную поверхность датчика.
Емкостной чувствительный элемент 2 подключенный в цепи отрицательной обратной связи к инвертирующему входу операционного усилителя мультивибратора 1, является одной из обкладок частотозадающего "раскрытого конденсатора", второй обкладкой которого являются электрические цепи общей "земли" мультивибратора 1 и датчика в целом, и служит емкостным чувствительным элементом мультивибратора 1 (см. журнал "Радио", №10, 2002, с.38, рис.1; с.39, рис.3). При этом емкостной чувствительный элемент 2 выполнен в виде токопроводящей пластины с геометрической формой, повторяющей геометрическую форму центрального сквозного отверстия, выполненного в чашке ферритового сердечника 14 индуктивного чувствительного элемента 6. При этом центральное отверстие в виде сквозного отверстия чашки ферритового сердечника 14 позволяет конструктивно выполнить электрическое соединение емкостного элемента 2 с мультивибратором 1 со стороны закрытого торца чашки ферритового сердечника 14, без взаимодействия соединительного проводника с электромагнитным полем 15, т.е. без внесения нежелательного дополнительного затухания в контур генератора 5, приводящего к уменьшению соединительным металлическим проводником его добротности и, как следствие, к нарушению режима работы генератора 5. Причем емкостной чувствительный элемент 2 установлен внутри центрального сквозного отверстия чашки ферритового сердечника 14 соосно с этим отверстием со смещением относительно поверхности открытого торца чашки ферритового сердечника 14 вдоль оси симметрии центрального сквозного отверстия ферритового сердечника 14 в сторону, противоположную расположению катушки индуктивности 13, т.е. в сторону закрытого торца ферритового сердечника 14. Наличие такого смещения не позволяет магнитному потоку рассеяния (на фиг.2 не показан для лучшей читаемости чертежа) электромагнитного поля 15, существующего непосредственно у передней кромки центрального сквозного отверстия со стороны открытого торца чашки ферритового сердечника 14, взаимодействовать с плоской поверхностью емкостного чувствительного элемента 2 и тем самым исключает возможность внесения нежелательного дополнительного затухания в колебательный контур генератора 5. Это, в свою очередь, исключает возможность снижения добротности колебательного контура генератора 5 и нарушения его режима генерации электрических колебаний, приводящего к нарушению работоспособности датчика.
Конструктивное выполнение индуктивного чувствительного элемента 6 на основе одного ферритового сердечника 14 в виде чашки с цилиндрической наружной поверхностью и со сквозным центральным отверстием и установка емкостного чувствительного элемента 2 внутри этого отверстия позволяют уменьшить габаритные размеры чувствительного элемента датчика и конструктивно выполнить его в пределах габаритных размеров одной чашки ферритового сердечника 14. Эти две особенности конструкции чувствительного элемента датчика позволяют оптимизировать его габаритные размеры и, следовательно, размеры корпуса датчика, причем в сторону минимизации их габаритов. Это, в свою очередь, позволяет производить монтаж датчика на объектах его эксплуатации в местах с ограниченным пространством монтажных зон датчиков и технологических зон контроля изготовляемых изделий, что расширяет функциональные возможности датчика при его эксплуатации.
Кроме того, такая конструкция чувствительного элемента датчика обеспечивает беспрерывное охватывание электромагнитным полем 15 электрического поля 16, вдоль всего периметра передней кромки центрального отверстия чашки ферритового сердечника 14, образованной его внутренней боковой поверхностью и поверхностью открытого торца чашки ферритового сердечника 14. Это обеспечивает возможность введения контролируемого изделия 17 в зону действия чувствительного элемента датчика при радиальном перемещении его в любом направлении в плоскости, параллельной чувствительной поверхности датчика, и в пределах действия электромагнитного 15 и электрического 16 полей. Вместе с тем полное охватывание электромагнитным полем 15 электрического поля 16 по всему периметру внешней передней кромки чашки ферритового сердечника 14 позволяет повысить уровень селективности датчика в отношении неметаллических изделий, так как датчик не теряет такой селективности вследствие отсутствия мест прерывания охватывания электромагнитным полем 15 электрического поля 16 и, следовательно, вследствие исключения возможности попадания через эти места посторонних металлических предметов и изделий в зону действия электрического поля 16 без взаимодействия их предварительно с электромагнитным полем 15 при перемещении в радиальном направлении.
Все эти конструктивные особенности датчика позволяют расширить варианты его монтажа на объектах эксплуатации: горизонтальный и вертикальный способы монтажа, монтаж под углом и с помощью использования монтажных отверстий цилиндрической формы, а также монтаж его в местах с ограниченными пространствами зон монтажа датчиков и технологических зон контроля изготовляемых изделий, т.е. позволяет расширить функциональные возможности датчика на объектах его эксплуатации.
Таким образом, конструктивное исполнение индуктивного чувствительного элемента, взаимное расположение емкостного чувствительного элемента 2, индуктивного чувствительного элемента 6, электромагнитного и электрического полей 15 и 16, взаимодействие их в описанной выше последовательности с контролируемым изделием 17, а также соответствующая обработка предложенной схемой датчика выходных сигналов генератора 5 и мультивибратора 1 позволяют реализовать алгоритм работы схемы датчика в режиме селективности (избирательности) неметаллических контролируемых изделий, а также расширить функциональные возможности датчика при эксплуатации и устранить его ложные срабатывания от посторонних металлических предметов, случайно попадающих в зону действия электрического поля 16 чувствительного элемента датчика, и тем самым повысить уровни селективности и надежности работы датчика.
Датчик работает следующим образом.
При подаче напряжения питания и нахождении контролируемого изделия 17 вне зоны чувствительной поверхности датчика (см. фиг.2) мультивибратор 1 переходит в заторможенное состояние, при котором на его выходе, входе и выходе детектора 3 устанавливаются напряжения с уровнями логического "0". С выхода детектора 3 напряжение с уровнем логического "0" подается на вход порогового элемента 4, после чего последний переключается в такое устойчивое состояние, при котором на его выходе и на первых входах логических элементов 10 и 11 устанавливается напряжение U2 с уровнем логического "0" (см. фиг.3, фиг.4). Вместе с тем при подаче напряжения питания генератор 5 переходит в режим генерации электрических колебаний, постоянная составляющая тока которых на его выходе создает падение напряжения, превышающее входное пороговое значение напряжения триггера порогового элемента 8. При этом пороговый элемент 8 переключатся в такое устойчивое состояние, при котором на его выходе устанавливается напряжение U1 с уровнем логического "0" (см. фиг.3, фиг.4), которое подается на второй вход логического элемента 11. Под действием этого напряжения на выходе логического элемента 11 и входе инвертора 9 устанавливается напряжение U3 с уровнем логического "0" (см. фиг.3, фиг.4). На выходе инвертора 9 и втором входе логического элемента 10 при этом устанавливается напряжение U4 с уровнем логической "1". Но уровень логической "1" этого напряжения на выход логического элемента 10 и на выходную клемму 12 не проходит, и на его выходе и на выходной клемме 12 устанавливается напряжение U5 с уровнем логического "0", так как на его первом входе установлено с выхода порогового элемента 4 напряжение U2 с уровнем логического "0", запрещающее его прохождение.
Таким образом, после подачи напряжения питания датчик устанавливается в исходное состояние, при котором на выходной клемме 12 устанавливается напряжение U5 с уровнем логического "0", а контролируемое изделие 17 находится за пределами зоны чувствительной поверхности датчика, т.е. за пределами зон действия электромагнитного поля 15 и электрического поля 16. При этом дальность действия электромагнитного поля 15 вдоль оси симметрии ферритового сердечника 14, перпендикулярной плоскости его открытого торца, превышает дальность действия электрического поля 16 вдоль оси симметрии емкостного чувствительного элемента 2, перпендикулярной его обеим плоским поверхностям.
Далее рассмотрим работу предлагаемого датчика в режиме селективного контроля изделий в двух случаях: в случае перемещения относительно чувствительной поверхности датчика в радиальном по стрелке 18 (19) и осевом по стрелке 20 направлениях неметаллических контролируемых изделий и в случае такого перемещения металлических изделий.
Случай 1. Работа датчика в режиме селективного контроля при перемещении неметаллических изделий относительно его чувствительной поверхности.
В этом случае контролируемое изделие 17 (см. фиг.2) перемещается в радиальном направлении, т.е. перпендикулярно оси симметрии ферритового сердечника 14 и параллельно чувствительной поверхности датчика в пределах зон действия электромагнитного и электрического полей 15, 16 в одном из направлений по стрелке 18 или 19.
При введении неметаллического изделия 17, например, в направлении стрелки 18 (19) в зону чувствительной поверхности датчика, оно входит в зону действия электромагнитного поля 15. В результате срыва генерации электрических колебаний генератора 5 не происходит вследствие отсутствия внесения затухания контролируемым изделием 17 в его колебательный контур. При этом составляющая постоянного напряжения на выходе генератора 5 продолжает превышать входное пороговое значение триггера порогового элемента 8, поэтому последний продолжает находиться в исходном состоянии, при котором на его выходе и втором входе логического элемента 11 установлено напряжение U1 с уровнем логического "0". Под действием нулевого уровня этого напряжения на выходе логического элемента 11 и входе инвертора 9 установлено напряжение U3 с уровнем логического "0". При этом на выходе инвертора 9 и втором входе логического элемента 10 продолжает присутствовать напряжение U4 с уровнем логической "1", а на выходе логического элемента 10 и выходной клемме 12 - напряжение U5 с уровнем логического "0", так как на его первом входе с выхода порогового элемента 4 установлено напряжение U2 с уровнем логического "0", запрещающее прохождение единичного логического уровня напряжения U4 на выход логического элемента 10 и на выходную клемму 12 (см. фиг.3).
Затем через некоторый промежуток времени перемещающееся контролируемое изделие 17, по-прежнему оставаясь в зоне действия электромагнитного поля 15, входит в зону действия электрического поля 16 емкостного чувствительного элемента 2 и образует с последним электрический конденсатор. Значение электрической емкости образованного таким образом конденсатора увеличивается до такого уровня, при котором происходит возбуждение мультивибратора 1 и переход его в режим генерации электрических колебаний. Выходные импульсы мультивибратора 1 преобразуются детектором 3 в постоянное напряжение с уровнем логической "1", которое превышает пороговый уровень входного напряжения триггера порогового элемента 4. При этом последний переключается в другое устойчивое состояние, при котором на его выходе устанавливается напряжение U2 с уровнем логической "1", которое подается на первые входы логических элементов 10, 11. Так как на обоих входах логического элемента 10 установлены с выходов порогового элемента 4 и инвертора 9 соответственно напряжения U2 и U4 с уровнями логической "1", на его выходе и на выходной клемме 12 устанавливается напряжение U5 также с уровнем логической "1".
Далее контролируемое изделие 17, оставаясь в зоне действия электромагнитного поля 15, выходит из зоны действия электрического поля 16, после чего мультивибратор 1 снова переходит из режима генерации электрических колебаний в заторможенное состояние, т.е. в исходное состояние, при котором на его выходе, входе и выходе детектора 3 устанавливаются напряжения с уровнями логического "0". При этом на выходе порогового элемента 4 устанавливается напряжение U2 с уровнем логического "0", которое подается на первые входы логических элементов 10, 11. Под действием этого напряжения переключения логического элемента 11 не происходит, и на его выходе подтверждается присутствие напряжения U3 с уровнем логического "0", соответствующее исходному состоянию логического элемента 11. При этом переключения инвертора 9 также не происходит, и он продолжает находиться в исходном состоянии, при котором на его выходе продолжает присутствовать напряжение U4 с уровнем логической "1". Так как на первом и втором входах логического элемента 10 установлены соответственно напряжения U2 с уровнем логического "0" и U4 с уровнем логической "1", на его выходе и выходной клемме 12 устанавливается напряжение U5 с уровнем логического "0". На этом формирование импульса напряжения U5 с уровнем логической "1" на выходной клемме 12, несущего информацию о контроле неметаллического изделия, заканчивается.
И на последнем временном промежутке своего перемещения контролируемое изделие 17 выходит за пределы действия электромагнитного поля 15, после чего генератор 5 продолжает находиться в режиме генерации электрических колебаний, т.е. в исходном состоянии. В результате пороговый элемент 8 также продолжает находиться в исходном состоянии, при котором на его выходе и на втором входе логического элемента инвертора 11 установлено напряжение U1 с уровнем логического "0". Поэтому напряжения в остальных точках схемы датчика и состояния диаграмм, приведенных на фиг.3, установившиеся до момента выхода контролируемого изделия 17 из зоны действия электромагнитного поля 15, также не изменились. На этом цикл контроля неметаллического контролируемого изделия заканчивается.
Следовательно, при прохождении контролируемого неметаллического изделия 17 относительно чувствительной поверхности датчика в радиальном направлении на выходной клемме 12 формируется потенциальный сигнал напряжения U5 с уровнем логической "1", несущий информацию о его контроле.
В случае введения контролируемого неметаллического изделия 17 параллельно чувствительной поверхности датчика в осевом направлении по стрелке 20 и обратно в свое исходное положение последовательность его взаимодействия с электромагнитным и электрическим полями 15, 16 не изменяется по сравнению с его перемещением в радиальном направлении, так как дальность действия электромагнитного поля вдоль оси симметрии ферритового сердечника 14 больше дальности действия электрического поля 16 в том же направлении. Поэтому работа датчика при перемещении контролируемого изделия 17 в осевом направлении аналогична работе датчика при перемещении его в радиальном направлении и описывается диаграммами, приведенными на фиг.3. Т.е. и в этом случае на выходной клемме 12 формируется потенциальный сигнал напряжения U5 с уровнем логической "1", несущий информацию о контроле неметаллического изделия.
Случай 2. Работа датчика в режиме селективного контроля при перемещении металлических изделий относительно его чувствительной поверхности.
В этом случае после установки датчика в исходное состояние, описанное выше, металлическое изделие 17 (см. фиг.2) перемещается в радиальном направлении, т.е. перпендикулярно оси симметрии ферритового сердечника 14 и параллельно чувствительной поверхности датчика в пределах зон действия электромагнитного и электрического полей 15, 16 в направлении по стрелке 18 (19). При введении в зону чувствительной поверхности датчика металлического изделия 17, оно входит зону действия электромагнитного поля 15. При этом происходит срыв генерации электрических колебаний генератора 5 вследствие внесения затухания металлическим изделием 17 в его колебательный контур. В результате составляющая постоянного напряжения на выходе генератора 5 уменьшается, и его значение становится ниже входного порогового значения напряжения триггера порогового элемента 8, в результате последний переключается в другое устойчивое состояние, при котором на его выходе и втором входе логического элемента 11 устанавливается напряжение U1 с уровнем логической "1". Но уровень логической "1" этого напряжения на выход логического элемента 11 не проходит, и на его выходе и на входе инвертора 9 продолжает присутствовать напряжение U3 с уровнем логического "0", так как на первый вход логического элемента 11 с выхода порогового элемента 4 подано напряжение U2 с уровнем логического "0", запрещающее его прохождение. При этом переключения инвертора 9 и логического элемента 10 не происходит, и на выходе логического элемента 10 и на выходной клемме 12 продолжает присутствовать напряжение U5 с уровнем логического "0", соответствующее исходному состоянию датчика (см. фиг.4).
Затем через некоторый промежуток времени перемещающееся металлическое изделие 17, по-прежнему оставаясь в зоне действия электромагнитного поля 15, входит в зону действия электрического поля 16 емкостного чувствительного элемента 2 и образует с последним электрический конденсатор. Значение электрической емкости образованного таким образом конденсатора увеличивается до такого уровня, при котором происходит возбуждение мультивибратора 1 и переход его в режим генерации электрических колебаний. Выходные импульсы мультивибратора 1 преобразуются детектором 3 в постоянное напряжение с уровнем логической "1", которое превышает пороговый уровень входного напряжения триггера порогового элемента 4. При этом последний переключается в другое устойчивое состояние, при котором на его выходе устанавливается напряжение U2 с уровнем логической "1", которое подается на первые входы логических элементов 10, 11. Так как на обоих входах логического элемента 11 установлены напряжения U1, U2 с уровнями логической "1", на его выходе и входе инвертора 9 устанавливается напряжение U3 также с уровнем логической "1". Под действием этого напряжения на выходе инвертора 9 и на втором входе логического элемента 10 устанавливается напряжение U4 с уровнем логического "0", запрещающее прохождение на выход логического элемента 10 уровня логической "1" напряжения U2, установленного с выхода порогового элемента 4 на первом входе логического элемента 10. Поэтому на выходе логического элемента 10 и на выходной клемме 12 продолжает присутствовать напряжение U5 с уровнем логического "0", т.е. датчик продолжает находиться в исходном состоянии (см. фиг.4).
Далее перемещающееся металлическое изделие 17, по-прежнему оставаясь в зоне действия электромагнитного поля 15, выходит из зоны действия электрического поля 16, после чего мультивибратор 1 снова переходит из режима генерации электрических колебаний в заторможенное состояние, т.е. в исходное состояние, при котором на его выходе, входе и выходе детектора 3 устанавливаются напряжения с уровнями логического "0". При этом на выходе порогового элемента 4 устанавливается напряжение U2 с уровнем логического "0", которое подается на первые входы логических элементов 10, 11, после чего логический элемент 11 переключается, и на его выходе и входе инвертора 9 устанавливается напряжение U3 с уровнем логического "0". Под действием этого напряжения инвертор переключается в исходное состояние, при котором на его выходе и втором входе логического элемента 10 устанавливается напряжение U4 с уровнем логической "1". Но уровень логической "1" этого напряжения на выход логического элемента 10 и на выходную клемму 12 через его второй вход не проходит, и на его выходе и выходной клемме 12 продолжает присутствовать напряжение U5 с уровнем логического "0", соответствующее исходному состоянию датчика, так как на первом входе логического элемента 10 с выхода порогового элемента 4 установлено напряжение U2 с уровнем логического "0", запрещающее прохождение.
И на последнем временном промежутке своего перемещения металлическое изделие 17 выходит за пределы действия электромагнитного поля 15, после чего генератор 5 переходит в режим генерации электрических колебаний, т.е. в исходное состояние. В результате пороговый элемент 8 также переключается в исходное состояние, при котором на его выходе и втором входе логического элемента 11 устанавливается напряжение U1 с уровнем логического "0", подтверждающее исходное состояние логического элемента 11, в которое он установлен напряжением U2 с уровнем логического "0", поданным на его первый вход с выхода порогового элемента 4. В результате инвертор 9 и логический элемент 10 продолжают находиться в исходном состоянии, при котором на выходной клемме 12 продолжает присутствовать напряжение U5 с уровнем логического "0", соответствующее исходному состоянию датчика. На этом цикл контроля металлического изделия 17 на выходной клемме 12 заканчивается, в результате которого на выходной клемме 12 датчика формирования потенциального сигнала напряжения U5 с уровнем логической "1", несущего информацию о контроле металлического изделия, не происходит.
В случае введения металлического изделия 17 параллельно чувствительной поверхности датчика в осевом направлении по стрелке 20 и обратно в свое исходное положение последовательность его взаимодействия с электромагнитным и электрическим полями 15, 16 не изменяется по сравнению с его перемещением в радиальном направлении, так как дальность действия электромагнитного поля вдоль оси симметрии ферритового сердечника 14 больше дальности действия электрического поля 16 в том же направлении. Поэтому работа датчика при перемещении металлического изделия 17 в осевом направлении аналогична работе датчика при перемещении его в радиальном направлении и описывается диаграммами, приведенными на фиг.4. Т.е. и в этом случае на выходной клемме 12 формирования потенциального сигнала напряжения U5 с уровнем логической "1", несущего информацию о контроле металлического изделия, не происходит.
Таким образом, в рассмотренном режиме работы датчика сигнал на его выходной клемме 6 однозначно соответствует потенциальному информационному сигналу, несущему информацию о селективном контроле неметаллического изделия, а потенциальный сигнал о контроле металлического изделия, находящегося в зоне действия чувствительного элемента датчика, на выходной клемме 12 при этом не отрабатывается, чем и обеспечивается селективность (избирательность) датчика к неметаллическим контролируемым изделиям.
Повышение надежности работы датчика при случайном попадании в зону действия электрического поля 16 посторонних металлических предметов, когда датчик находится в исходном положении, а контролируемое им изделие - за пределами действия его чувствительного элемента, происходит следующим образом (см. фиг.4).
При попадании в зону действия электрического поля 16 чувствительного элемента датчика постороннего металлического предмета происходит последовательное взаимодействие его сначала с электромагнитным полем 15, а затем с электрическим полем 16. При перемещении постороннего металлического предмета в радиальном или осевом направлениях пороговыми элементами 8 и 4 формируются соответственно ложные импульсы напряжений U1, U2 с уровнями логической "1". Первый импульс напряжения U1 подается на второй вход логического элемента 11. При этом второй импульс напряжения U2 с уровнем логической "1" подается на первые входы логических элементов 10, 11. Так как на обоих входах логического элемента 11 присутствуют импульсы напряжений U1, U2 с уровнями логической "1" на его выходе и входе инвертора 9 формируется импульс напряжения U3 с уровнем логической "1". Под действием этого импульса на выходе инвертора 9 формируется импульс напряжения U4 с уровнем логического "0", который подается на второй вход логического элемента 10. При этом сформированный ложный импульс напряжения U2 с уровнем логической "1" на выходе порогового элемента 4 через первый вход логического элемента 10 на его выход и на выходную клемму 12 не проходит, так как на его втором входе присутствует импульс напряжения U4 с уровнем логического "0", запрещающий его прохождение. В результате на выходе логического элемента 10 и выходной клемме 12 ложный импульс от постороннего металлического предмета не отрабатывается. Поэтому ложного срабатывания датчика от постороннего металлического предмета, случайно попадающего в зону действия электрического поля 16 емкостного чувствительного элемента, не происходит, чем повышается надежность работы датчика. Следовательно, повышение надежности работы датчика при случайном попадании в зону действия электрического поля 16 его емкостного чувствительного элемента посторонних металлических предметов обеспечивается селективностью датчика в отношении неметаллических изделий.