ФАЗОГЕНЕРАТОРНЫЙ БЕСКОНТАКТНЫЙ ДАТЧИК

Полезная модель относится к бесконтактным индуктивным датчикам контроля приближения токопроводящего объекта и может найти применение при разработке и производстве датчиков контроля приближения подвижных малоразмерных металлических предметов.
Известно устройство, содержащее последовательно включенные индуктивный генератор, например блокинг-генератор, амплитудный детектор, компаратор и силовой транзисторный ключ [Виленский, П.И. Бесконтактные путевые выключатели /П.И.Виленский, Л.А.Срибнер. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - С.8-9]. При отсутствии токопроводящего объекта вблизи катушки индуктивности устройство работает в непрерывном режиме. При внесении в активную зону устройства токопроводящего объекта, например металлической пластины, нарушаются условия возбуждения, и происходит срыв колебаний в генераторе. Факт срыва колебаний фиксируется посредством амплитудного детектора аналоговым компаратором, управляющим силовым транзисторным ключом. Достоинством известного устройства является простота конструкции и небольшое количество элементов, однако, оно обладает существенным недостатком - низкой частотой срабатывания, определяемой длительностью процесса срыва колебаний в индуктивном генераторе и длительностью их возбуждения, а также постоянной времени амплитудного детектора. Так, процесс стабилизации амплитуды колебаний при возбуждении генератора длится порядка 10-15 периодов частоты генерации.
Известно так же устройство [А.с. 1703975 СССР, МКИ G01D 5/22. Бесконтактный датчик приближения объекта [Текст] /Н.Н.Милюшин, В.Б.Клейменов, В.И.Курков. - заявлн. 07.01.1992 г.], содержащее два колебательных контура, два ключевых элемента, два амплитудных детектора, аналоговый компаратор напряжения, генератор импульсов и силовой транзисторный ключ. Устройство работает на принципе сравнения амплитуд напряжений двух звенящих колебательных контуров, возбуждаемых синхронно и синфазно импульсным генератором, при этом один из контуров взаимодействует с токопроводящим объектом, например металлической пластиной, а второй является источником опорного сигнала. Известное устройство имеет более высокую частоту срабатывания, чем предыдущее устройство, определяемую в десятки кГц, однако расстояние срабатывания невелико из-за наличия существенных пульсаций в обоих каналах устройства.
Известно устройство, содержащее два индуктивных генератора, связанных между собой элементами связи, например конденсатором, которые одними своими выводами соединены друг с другом, а другими выводами подключены, соответственно, к колебательному контуру первого генератора и к колебательному контуру второго генератора, при этом между точкой соединения выводов конденсаторов и общей точкой схемы устройства подключены параллельно резистор нагрузки и регистрирующее устройство. Устройство [Полулях, К.С. К теории фазогенераторного преобразователя /К.С.Полулях //Измерительная техника, 1970. - №1. - С.54-57] работает на принципе синхронизации колебаний двух связанных генераторов и изменении фазового сдвига между сигналами двух генераторов, возникающего при изменении параметров одного из колебательных контуров. Достоинством данного устройства является высокая чувствительность и большое быстродействие. Однако оно теряет работоспособность при разности фаз сигналов генераторов более 90°, что возникает при поднесении к одному из контуров медной пластины - происходит срыв синхронизации колебаний генераторов. Сохранение синхронизации возможно при увеличении связи генераторов, однако в этом случае сильно уменьшается чувствительность устройства.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является известное устройство [Пат. 2037780. Быстродействующий бесконтактный датчик положения /В.Б.Клейменов, Н.Н.Милюшин], принятое за прототип. Устройство состоит из двух связанных между собой индуктивных генераторов, при этом каждый из генераторов выполнен на инверторе и логической схеме 2И-НЕ, вход инвертора соединен через резистор со своим выходом и через конденсатор - со своим колебательным контуром, при этом выход инвертора первого генератора соединен с первым входом логической схемы 2И-НЕ своего генератора, выход инвертора второго генератора соединен со вторым входом логической схемы 2И-НЕ первого генератора и с обоими входами логической схемы 2И-НЕ своего генератора, а в качестве регистрирующего устройства применен фазовый детектор, содержащий D-триггер, D-вход которого соединен с выходом инвертора первого генератора, С-вход - с выходом инвертора второго генератора, а выход - с входом транзисторного силового ключа, выходы логических схем 2И-НЕ каждого генератора через свои резисторы посредством емкостных делителей соединены со своими колебательными контурами.
Известное устройство работает следующим образом. Параметры схем генераторов заданы так, что исключен режим срыва колебаний и ни к одной катушке индуктивности не поднесен металлический предмет. Первый генератор является рабочим генератором, второй - опорным, приближать металлический объект будем к катушке индуктивности первого генератора. При включении питания оба генератора возбуждаются и работают в непрерывном режиме. Параметры колебательных контуров выбраны таким образом, что частоты их колебаний практически совпадают. Это обеспечено также за счет влияния второго (опорного) генератора на цепь обратной связи первого генератора посредством логической схемы 2И-НЕ первого генератора, что обеспечивает синхронизацию колебаний генераторов. Подбор параметров колебательных контуров обеспечивает такое соотношение передних фронтов сигналов на D и С входах D-триггера, что в исходном состоянии передний фронт импульсного сигнала второго генератора на С-вход приходит несколько раньше переднего фронта сигнала первого генератора на D-вход. Такое исходное соотношение передних фронтов сигналов обеспечивает запись в D-триггер логического ноля. При внесении металлического предмета в активное пространство катушки индуктивности первого генератора происходит внесение ее реактивного и активного сопротивлений в колебательный контур первого генератора и изменение фазы его колебаний относительно фазы колебаний второго генератора. За счет связи второго генератора с первым генератором через цепь обратной связи, осуществляется синхронизация колебаний первого генератора с колебаниями второго при изменяющейся разности фаз между сигналами генераторов от воздействия на первый генератор металлического предмета. В некоторый момент времени передний фронт сигнала первого генератора начинает опережать передний фронт сигнала второго генератора на столько, что становится возможным запись в D-триггер логической единицы, которая поступает на вход транзисторного ключа и изменяет его состояние. При удалении металлического предмета от катушки первого генератора происходят обратные процессы - разность фаз между сигналами генераторов уменьшается, и в некоторый момент времени передний фронт первого генератора отстает от переднего фронта второго генератора так, что в D-триггер вновь записывается логический ноль, при этом снимается управляющее воздействие с транзисторного силового ключа и он изменяет свое состояние на исходное.
Данное устройство, принятое за прототип, обладает устойчивостью к значительным фазовым расстройкам между сигналами генераторов и сохраняет нормальное функционирование вплоть до разности фаз, не превышающей 180°. Обладает хорошей чувствительностью и по сравнению с аналогами - весьма высокой частотой срабатывания, составляющей сотни кГц. Недостатком данного устройства является наличие в нем двух катушек индуктивности, что ограничивает возможности уменьшения габаритных размеров датчика. Ограничения связаны с необходимостью создания в конструктиве датчика некоторого объема для размещения поля колебательного контура второго (опорного) генератора с приемлемым его демпфированием и максимально возможным исключением электромагнитного взаимовлияния колебательных контуров.
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в уменьшении размеров датчика.
Технический результат, достигаемый заявляемой полезной моделью - уменьшение количества колебательных контуров.
Технический результат достигается за счет того, что в известный фазогенераторный бесконтактный датчик, состоящий из двух связанных между собой генераторов, выполненных каждый на инверторе и логической схеме 2И-НЕ, вход каждого инвертора соединен через резистор со своим выходом, при этом выход инвертора первого генератора соединен с первым входом логической схемы 2И-НЕ своего генератора, выход инвертора второго генератора соединен со вторым входом логической схемы 2И-НЕ первого генератора и с обоими входами логической схемы 2И-НЕ своего генератора, а в качестве регистрирующего устройства применен фазовый детектор, содержащий D-триггер, D-вход которого соединен с выходом инвертора первого генератора, С-вход - с выходом инвертора второго генератора, а выход - с входом транзисторного силового ключа, выход логической схемы 2И-НЕ первого генератора через резистор посредством емкостного делителя соединен со своим колебательными контуром, который через конденсатор соединен с входом своего инвертора, согласно полезной модели дополнительно снабжен кварцевым резонатором, один вывод которого соединен с входом инвертора второго генератора, а другой вывод соединен с выходом логической схемы 2И-НЕ этого генератора.
На фиг.1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.
Предлагаемое устройство содержит (см. фиг.1) первый и второй генераторы, содержащие соответственно инверторы 1 и 2, логические схемы 2И-НЕ 3 и 4; при этом первый генератор содержит катушку 5 индуктивности и конденсаторы 6 и 7 емкостного делителя, конденсатор 8 связи, резисторы 9 и 10; второй генератор содержит резистор 11, кварцевый резонатор 12; в устройство входят так же D-триггер 13 и силовой транзисторный ключ 14.
Катушка 5 индуктивности первого генератора образует с последовательно соединенными конденсаторами 6 и 7 емкостного делителя параллельный колебательный контур, который через конденсатор связи 8 соединен с входом своего инвертора 1. Инверторы 1 и 2 введены в активный режим резисторами 9 и 11 соответственно, соединяющими вход и выход своего инвертора. Выход инвертора 1 соединен с первым входом логической схемы 2И-НЕ 3; вход инвертора 2 соединен также с одним из выводов кварцевого резонатора 12, а выход инвертора 2 соединен с обоими входами логической схемы 2И-НЕ 4 и со вторым входом логической схемы 2И-НЕ 3. Выход логической схемы 2И-НЕ 3 через резистор 10 соединен с общей точкой конденсаторов 6 и 7, выход же логической схемы 2И-НЕ 4 соединен с другим выводом кварцевого резонатора 12. D-триггер 13 своим D-входом соединен с выходом инвертора 1, а С-входом - с выходом инвертора 2. Выход D-триггера 13 соединен с управляющим входом силового транзисторного ключа 14. Таким образом, в предлагаемом устройстве первый генератор является индуктивным, второй генератор - кварцевым.
1
1
Работает предлагаемое устройство следующим образом. Будем полагать, что параметры схем генераторов выбраны таким образом, что исключен режим срыва колебаний и что параметры кварцевого резонатора 12 подобраны наилучшим образом как по условиям возбуждения колебаний во втором генераторе, так и по частоте - частоты первого и второго генераторов необходимо близки. Приближение и удаление металлического объекта будем осуществлять относительно катушки 5 индуктивности колебательного контура первого генератора. В исходном состоянии металлический предмет (условно не показан) удален от активной зоны катушки 5 индуктивности и не оказывает никакого влияния на колебательный контур первого генератора. При включении питания оба генератора возбуждаются, и частоты их колебаний практически совпадают. Это обеспечено также за счет имеющейся связи второго генератора с цепью обратной связи первого генератора посредством логической схемы 2И-НЕ 3, обеспечивающей синхронизацию колебаний первого генератора относительно колебаний второго генератора. Подбору параметров колебательного контура фазы колебаний генераторов в исходном состоянии соответствует участок диаграммы (см. фиг.2) до момента времени t. Передний фронт сигнала U2 второго генератора приходит на С-вход D-триггера 13 в тот момент времени, когда сигнал U1 первого генератора на D-входе имеет уровень логического нуля и в D-триггер запишется логический нуль. При внесении в активную зону катушки 5 индуктивности металлического предмета происходит внесение ее реактивного и активного сопротивлений в колебательный контур первого генератора, в результате чего изменяется фаза его колебаний относительно колебаний второго генератора. Так как имеется синхронизирующая связь первого генератора со вторым, то значение частоты колебаний первого генератора сохраняется, но изменяется фаза колебаний, при этом в некоторый момент времени t передний фронт сигнала U2 второго генератора поступает на С-вход D-триггера 13 несколько позже, нежели передний фронт сигнала U1 на D-вход этого триггера, в результате чего в D-триггер 13 записывается логическая единица (сигнал U3), которая поступает на вход силового транзистора 13 и изменяет его состояние. При удалении металлического объекта устройство возвращается в исходное состояние.
Предлагаемое устройство, обладая положительными качествами прототипа, позволяет реализовать его в более компактном виде - оно имеет только одну катушку индуктивности, непосредственно взаимодействующую с металлическим объектом, поэтому нет потребности в организации объема для недеформированного размещения поля колебательного контура второго генератора, что в ряде областей применения имеет существенное значение.
Таким образом, предлагаемое устройство лишено недостатков прототипа, что подтверждает достижение технического результата и решение поставленной задачи полезной модели.
Анализ научно-технической и патентной литературы не выявил в известных технических решениях заявляемой совокупности существенных признаков и полезная модель явным образом не следует из уровня техники, что позволяет сделать вывод, что заявляемый фозогенераторный бесконтактный датчик имеет уровень полезной модели.