ИНДУКТИВНЫЙ ДАТЧИК
INDUCTANCE DETECTOR

Изобретение относится к области электрорадиотехники и может быть использовано в качестве датчика тока или датчика приближения.
Известен индуктивный датчик (см. ж. Приборы и техника эксперимента, №1, 1993 г., статья «Датчик тока с линейной характеристикой» авторов Дорофеевой Е.А. и др., стр.232, рис.1), содержащий параллельный резонансный LC-контур в цепи обратной связи первого автогенератора, кварцевый резонатор в цепи обратной связи второго автогенератора, выходы автогенераторов подключены к цифровому фазовому детектору на счетных триггерах, выходы которых подключены к входу фильтра фазочастотной автоматической подстройки частоты (ФАПЧ), выход которого подключен к неинвертирующему входу преобразователя напряжения в ток (ПНТ), выполненному на операционном усилителе (ОУ) с конденсатором в цепи отрицательной обратной связи и составном p-n-р транзисторе, эмиттер которого через первый резистор подключен к источнику питания, через второй резистор к инвертирующему входу ОУ, коллектор транзистора через третий резистор подключен к компенсирующей токовой обмотке индуктивного датчика с параллельным резонансным LC-контуром, выход ОУ является выходом индуктивного датчика.
Недостатки данного индуктивного датчика:
- большое энергопотребление и громоздкость из-за автогенераторного принципа действия и токовой цепи следящей обратной связи, что особенно выражено при многоканальных (многоточечных) измерениях, когда число автогенераторов, фазовых детекторов, фильтров ФАПЧ, ПНТ, ОУ, токовых обмоток существенно нарастает, этому же способствует и постоянное наличие напряжения на шине питания;
- неунифицированность схемы, т.к. не может быть использован в качестве датчика приближения;
- низкое быстродействие из-за большого времени установления напряжения на выходе, обусловленное большой постоянной времени цепи компенсирующей обратной связи по току.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является индуктивный датчик (см. ж. Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика, 2005 г., №12, стр.38, рис.2, «Индуктивный датчик приближения резонансного типа», Габов А.П., Рыжов С.И.), содержащий генератор периодических импульсов на логических элементах и RC-цепи, выход которого через логический элемент НЕ подключен к первому выводу первого резистора, второй вывод которого подключен к затвору полевого транзистора, сток которого подключен к катоду первого диода, анод которого подключен к шине питания, исток полевого транзистора через второй резистор подключен к общей шине и аноду второго диода, затвор полевого транзистора подключен к первому выводу параллельного резонансного LC-контура, второй вывод которого подключен к общей шине, катод второго диода подключен через параллельно соединенные третий резистор и конденсатор к общей шине и непосредственно к первому выводу четвертого резистора, второй вывод которого подключен к входу компаратора напряжения и точке объединения пятого и шестого резисторов, другой вывод пятого резистора подключен к катоду первого диода, выход компаратора подключен через последовательно соединенные логический элемент НЕ и седьмой резистор к базе n-p-n транзистора, коллектор которого через восьмой резистор подключен к катоду первого диода, а эмиттер через параллельно соединенные девятый резистор и третий диод подключен к общей шине и непосредственно к выходу устройства.
Недостатки индуктивного датчика:
- большое энергопотребление за счет постоянного наличия напряжения на шине питания;
- низкая стабильность из-за выброса на переходной характеристике при импульсной подаче напряжения с шины питания на резонансный LC-контур, что необходимо при последовательных, многоканальных (многоточечных) измерениях с экономией энергопотребления;
- низкая температурная стабильность из-за изменения коэффициента передачи полевого транзистора и прямого напряжения на втором диоде;
- недостаточная амплитуда выходного напряжения на выходе параллельного резонансного LC-контура из-за неполного (однополярного) перемагничивания сердечника индуктивности параллельного резонансного LC-контура и потерь на выходном сопротивлении полевого транзистора;
- неунифицированность схемы, т.к. не может быть использован в качестве датчика тока.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении стабильности при одновременном увеличении амплитуды выходного сигнала и унификации схемы индуктивного датчика.
Для достижения данного технического результата в индуктивном датчике, содержащем генератор периодических импульсов, выход которого подключен к первому выводу первого резистора, резонансный LC-контур, катод первого диода через первый конденсатор подключен к общей шине, к которой подключен первый вывод второго резистора, второй диод, n-р-n транзистор, эмиттер которого подключен к общей шине, а коллектор через третий резистор подключен к шине питания, четвертый резистор, новым является то, что дополнительно введены второй конденсатор, интегрирующая RC-цепь и операционный усилитель, выход которого является выходом индуктивного датчика, вход операционного усилителя соединен со вторым выводом второго резистора и с выходом интегрирующей RC-цепи, вход которой соединен с катодом первого диода, анод которого соединен с первым выводом резонансного LC-контура и через второй конденсатор с коллектором n-p-n транзистора, база которого соединена со вторым выводом первого резистора, второй вывод резонансного LC-контура соединен через четвертый резистор с шиной питания и с анодом второго диода, катод которого подключен к общей шине.
Унификация конструкции обеспечивается работоспособностью датчика с различными резонансными LC-контурами для датчика приближения и датчика тока.
В датчике приближения резонансный LC-контур выполнен на параллельно соединенных индуктивности и конденсаторе, точки объединения которых являются первым и вторым выводами резонансного LC-контура, при этом индуктивность выполнена на плоской катушке, вблизи которой размещена мишень из металла.
В датчике постоянного тока с гальванической развязкой резонансный LC-контур выполнен на последовательно соединенных индуктивности и конденсаторе, который подключен к общей шине, выводы индуктивности являются первым и вторым выводами резонансного LC-контура, при этом индуктивность выполнена на пермаллоевом тороидальном сердечнике, через отверстие которого пропущен дополнительный провод для измерения тока.
Повышение стабильности выходного сигнала обеспечивается за счет взаимной амплитудной и термокомпенсации параметров первого и второго диодов и коррекции переходной характеристики при наличии импульсов на шине питания.
Повышение амплитуды выходного сигнала достигается за счет полного (двуполярного) перемагничивания сердечника индуктивности, отсутствия потерь на насыщенном n-p-п транзисторе и их зависимости от температуры окружающей среды.
0
15
1
3
7
Функциональная схема индуктивного датчика представлена на фиг.1, резонансный LC-контур для датчика приближения - на фиг.2, резонансный LC-контур для датчика тока - на фиг.3, временные диаграммы работы индуктивного датчика - на фиг.4, фиг.5, где Е - импульс напряжения на шине питания, U - напряжение на выходе операционного усилителя и его входе при включении ОУ повторителем напряжения (возможны другие варианты включения ОУ, например усилителем напряжения или тока, компаратором напряжения и т.д.), U - импульсы генератора периодических импульсов, U - напряжение на катоде первого диода, U - напряжение на коллекторе n-p-n транзистора, при рабочих значениях индуктивностей L1 и L2 резонансного LC-контура.
Индуктивный датчик (фиг.1) содержит генератор 1 периодических импульсов, первый резистор 2, первый диод 3, первый конденсатор 4, второй резистор 5, шину 6 питания, n-p-n транзистор 7, третий резистор 8, четвертый резистор 9, резонансный LC-контур 10, интегрирующую RC-цепь 11, второй конденсатор 12, второй диод 13, операционный усилитель 14, выход 15 операционного усилителя 14.
Выход генератора 1 периодических импульсов подключен к первому выводу первого резистора 2. Катод первого диода 3 через первый конденсатор 4 подключен к общей шине, к которой подключен первый вывод второго резистора 5. Эмиттер n-p-n транзистора 7 подключен к общей шине, а коллектор - через третий резистор 8 к шине 6 питания. Вход операционного усилителя 14 соединен со вторым выводом второго резистора 5 и с выходом интегрирующей RC-цепи 11, вход которой соединен с катодом первого диода 3. Анод первого диода 3 соединен с первым выводом резонансного LC-контура 10 и через второй конденсатор 12 с коллектором n-p-n транзистора 7. База n-p-n транзистора 7 соединена со вторым выводом первого резистора 2. Второй вывод резонансного LC-контура 10 соединен через четвертый резистор 9 с шиной 6 питания и с анодом второго диода 13, катод которого подключен к общей шине.
Резонансный LC-контур 10 (фиг.2) выполнен на параллельно соединенных индуктивности 16 и конденсаторе 17, точки объединения б и а которых являются первым и вторым выводами резонансного LC-контура 10 соответственно, индуктивность 16 выполнена на плоской катушке, вблизи которой размещена мишень из металла.
Резонансный LC-контур 10 (фиг.3) выполнен на последовательно соединенных индуктивности 16 и конденсаторе 17, который подключен к общей шине, выводы б и а индуктивности 16 являются первым и вторым выводами резонансного LC-контура 10 соответственно, индуктивность 16 выполнена на пермаллоевом тороидальном сердечнике, через отверстие которого пропущен дополнительный провод для измерения тока.
Индуктивный датчик (фиг.1) работает следующим образом.
0
15
1
3
7
На фиг.4 и фиг.5 представлены временные диаграммы работы индуктивного датчика, где Е - импульс напряжения на шине 6 питания, U- напряжение на выходе 15 операционного усилителя 14 и его входе при включении ОУ 14 повторителем напряжения (возможны другие варианты включения ОУ, например усилителем напряжения или тока, компаратором напряжения и т.д.), U - импульсы генератора 1 периодических импульсов, U - напряжение на катоде первого диода 3, U - напряжение на коллекторе n-p-n транзистора 7, при рабочих значениях индуктивности 16 резонансного LC-контура 10.
0
1
0
3
15
0
0
3
15
3
0
7
1
15
1
15
15
3
15
15
7
15
7
15
7
В исходном состоянии до момента t подачи импульса на шину 6 питания генератор 1 периодических импульсов обеспечивает на базе транзистора 7 стабилизированные по частоте и скважности импульсы U, при этом на шине 6 питания нулевой уровень (см. Е на фиг.4), n-p-n транзистор 7 находится в обесточенном состоянии и не потребляет ток, что важно при многоканальном (многоточечном) режиме работы. Конденсатор 4 разряжен до нуля через резистор интегрирующей RC-цепи 11 и резистор 5, конденсатор 12 разряжен до нуля через резисторы 8, 9 и резонансный LC-контур 10, конденсатор интегрирующей RC-цепи 11 разряжен до нуля через резистор 5, а значит, на входе и выходе ОУ 14, включенного, например, повторителем напряжения, присутствует нулевой сигнал (см. U, U на фиг.4 до момента t). При подаче положительного импульса по шине 6 питания с момента t (см. фиг.4) n-p-n транзистор 7 начинает переключаться с частотой генератора 1 периодических импульсов и через конденсатор 12 двухполярными импульсами осуществляется двухполярное перемагничивание сердечника индуктивности 16 резонансного LC-контура 10, что обеспечивает повышенную амплитуду выходных сигналов U, U (см. фиг.4). Импульсы U имеют выброс, аналогичный выбросу ближайшего аналога, за счет воздействия импульсов Е и U (U) на резонансный LC-контур 10, который сглаживается (корректируется) интегрирующей RC-цепью 11 и не искажает импульс U (см. фиг.4) на выходе ОУ 14. Диод 13 открыт прямым током, протекающим от шины 6 питания через резистор 9 при положительном полупериоде (n-p-n транзистор 7 закрыт) напряжения на резонансном LC-контуре 10 и аноде диода 3. Диод 13 открыт только часть времени при отрицательном полупериоде (n-p-n транзистор 7 открыт) напряжения на резонансном LC-контуре 10 и аноде диода 3, тогда прямой ток через него от резистора 9 больше обратного тока при разряде элементов 16, 17 резонансного LC-контура 10. Через минимальное число периодов U напряжения генератора 1 (время установления) на выходе 15 с резонансного LC-контура 10 появляется продетектированное диодом 3 и конденсатором 4 и откорректированное интегрирующей RC-цепью 11 напряжение U. Время установления выходного напряжения U не зависит от изменения динамических выходных сопротивлений диодов 3, 13 за счет их компенсации (см. фиг.5) при воздействии температуры окружающей среды и изменения уровня амплитуды сигнала, а также за счет корректирующей выброс интегрирующей RC-цепи 11 (см. фиг.4, диаграммы U, U). Стационарное значение выходного напряжения U не зависит от изменения прямых напряжений диодов 3, 13 за счет их компенсации при воздействии температуры окружающей среды и уровня сигнала (см. U и U на фиг.5). Изменение ΔU на U за счет диода 13 компенсируется точно таким же изменением ΔU прямого напряжения на диоде 3, что обеспечивает постоянность напряжения U (см. фиг.5) при воздействии температуры окружающей среды. Компенсации не препятствует также низкое и независимое от температуры напряжение насыщения n-p-n транзистора 7 (см. U на фиг.5). У МДП микросхем ближайшего аналога напряжение логического нуля и его изменение на температуре много выше, а коэффициент передачи полевого транзистора нестабилен. Напряжение на резонансном LC-контуре 10 следует за напряжением на коллекторе n-р-n транзистора 7, но смещено по постоянному уровню конденсатором 12, исключившим постоянную составляющую, что обеспечивает двухполярное перемагничивание сердечника резонансного LC-контура 10.
15
В исходном состоянии при отсутствии металлической мишени вблизи индуктивности или постоянного тока в проводе, пропущенном через сердечник, индуктивность его имеет максимальное значение L1, работа осуществляется вблизи (ниже) резонанса, при котором эквивалентное внутреннее сопротивление резонансного контура максимально и напряжение U на выходе максимально. Частота резонанса подбирается заранее регулировкой частоты генератора 1 периодических импульсов. Поскольку внутреннее сопротивление LC-контура 10 значительно, то в качестве преобразователя импеданса применяется операционный усилитель 14, обеспечивающий высокое входное и низкое выходное сопротивления. Коэффициент передачи ОУ 14 не зависит от температуры и других причин, характерных для полевого транзистора с диодом в цепи питания ближайшего аналога. После сближения индуктивности 16 LC-контура 10 и мишени или после подачи тока в провод, продетый сквозь сердечник, индуктивность уменьшается до величины L2, уменьшается эквивалентное сопротивление и амплитуда напряжения на резонансном LC-контуре 10, а значит, и амплитуда продетектированного и сглаженного напряжения на выходе ОУ 14 (см. фиг.4 для эквивалентных индуктивностей L1, L2). Сигнал монотонно изменяется при сближении чувствительного элемента индуктивности и мишени или увеличении тока в дополнительном проводе.
15
3
0
Для подтверждения работоспособности собраны макеты индуктивного датчика, выполненные на транзисторе типа 2Т3117А, диоде 3 2Д522Б, диоде 13 2Д419В, конденсаторах типа К10-43В, резисторах типа Р1 - 12±0,5%, ОУ 14 (однополярном маломощном типа 544УД7РЗ), генераторе периодических импульсов, выполненном на МДП микросхеме 564ТЛ1, с частотой 256 кГц. Исходное значение индуктивности L1 равно 150 мкГн, емкость конденсатора 17 равна 1600 пФ для датчика приближения. Исходное значение индуктивности L1 равно 1130 мкГн, емкость конденсатора 17 равна 400 пФ для датчика тока. Диапазон температур окружающей среды от минус 40 до плюс 50°С. Нестабильность выходного напряжения от воздействия температуры, уровня сигнала и выброса уменьшена с 400 до 60 мВ, что свидетельствует о соответствующем повышении стабильности. Амплитуда напряжения U, U увеличена на 40%. Энергопотребление уменьшено за счет подачи импульсов Е соответствующей скважности на шину 6 питания. Унификация конструкции достигнута за счет работоспособности индуктивного датчика с различными резонансными LC-контурами для датчика тока и датчика приближения.