МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ДАТЧИК КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЙ
MULTIFUNCTION ITEM CONTROL SENSOR

Изобретение относится к области автоматизации производственных процессов в машиностроении и предназначено для контроля положения неметаллических и металлических изделий, а также исполнительных органов технологического оборудования без механического контакта с ними.
3
Известен датчик, содержащий индуктивный чувствительный элемент, выполненный в виде катушки индуктивности, помещенной в открытой чашке ферритового сердечника, генератор электрических колебаний, к цепям колебательного контура которого подключен индуктивный чувствительный элемент, пороговый элемент, вход которого соединен с выходом генератора электрических колебаний, выходную клемму, являющуюся выходом датчика (см. авторское свидетельство СССР №807401, кл. МКИ Н01Н 36/00 "Бесконтактный торцовый переключатель", 1981).
Такой датчик имеет суженные функциональные возможности из-за того, что он наряду с контролем металлических изделий не обеспечивает контроль неметаллических изделий и не обладает селективностью (избирательностью) контроля к каждому из них, так как реагирует только на металлические изделия. Кроме того, такой датчик обладает низкой надежностью контроля металлических изделий из-за прохождения на его выход ложных срабатываний при случайном попадании посторонних металлических предметов в зону действия электромагнитного поля его индуктивного чувствительного элемента, когда датчик находится в исходном состоянии, а контролируемое им изделие находится вне зоны действия его индуктивного чувствительного элемента. При этом ложные срабатывания проявляются на выходе датчика в виде ложных 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, мультивибратор, к входу которого подключен емкостной чувствительный элемент, детектор, вход которого соединен с выходом мультивибратора, пороговый элемент, вход которого подключен к выходу детектора, выходную клемму, являющуюся выходом датчика (см. журнал "Радио", №10, 2002 г., стр.39, рис.5).
Однако такой датчик обладает ограниченными функциональными возможностями по причине отсутствия у него свойства селективности (избирательности) в отношении контролируемых металлических или неметаллических изделий, так как он в одинаковой мере реагирует как на неметаллические, так и на металлические изделия, т.е. обеспечивает только неселективный режим контроля металлических и неметаллических изделий. Это приводит к тому, что такой датчик не позволяет решать, например, задачи селективного (избирательного) контроля неметаллических (металлических) деталей на операции их сортировки, поступающих в зону контроля такого датчика вперемешку с металлическими (неметаллическими) деталями. При этом металлические (неметаллические) изделия вызывают ложные срабатывания на его выходе при контроле неметаллических (металлических) деталей. Вместе с тем, такой датчик не обеспечивает режим стробирования в исходном состоянии, необходимый для наладки технологического оборудования, в которое он встраивается.
Кроме того, такой датчик имеет низкую надежность работы из-за его ложных срабатываний в моменты случайного попадания в зону действия его чувствительного элемента посторонних металлических предметов, когда датчик находится в исходном состоянии, а контролируемое им изделие находится за пределами действия его чувствительного элемента. В этих случаях ложные срабатывания проявляются в виде появления на выходе датчика импульсов напряжения с уровнем логической "1".
Цель изобретения - расширение функциональных возможностей датчика путем обеспечения наряду с режимом неселективного контроля металлических и неметаллических изделий режимов стробирования и селективного контроля этих изделий, а также повышение надежности работы путем устранения ложных срабатываний датчика от посторонних металлических предметов.
Поставленная цель достигается тем, что в известный датчик, содержащий емкостной чувствительный элемент, выполненный в виде токопроводящей пластины, последовательно соединенные мультивибратор, к входу которого подключен емкостной чувствительный элемент, детектор, первый пороговый элемент, согласно изобретению введены индуктивный чувствительный элемент, выполненный в виде катушки индуктивности, помещенной в кольцевом пазу открытого торца ферритового сердечника с центральным сквозным отверстием, последовательно соединенные генератор электрических колебаний, к цепям колебательного контура которого подключены выходы индуктивного чувствительного элемента, второй пороговый элемент, инвертор, а также первый и второй логические элементы 2И с открытыми выходами Н-типа, соединенными между собой и являющимися выходом датчика, первые входы которых подключены к выходам соответственно первого и второго пороговых элементов, вторые входы - к выходам соответственно инвертора и первого порогового элемента, а их третьи входы являются соответственно первым и вторым входами расширения функциональных возможностей датчика, при этом емкостной чувствительный элемент с геометрической формой, повторяющей геометрическую форму центрального сквозного отверстия ферритового сердечника, установлен внутри центрального сквозного отверстия ферритового сердечника соосно с этим отверстием со смещением относительно открытого торца ферритового сердечника вдоль оси симметрии его центрального сквозного отверстия в сторону закрытого торца ферритового сердечника, а индуктивный и емкостной чувствительные элементы образуют чувствительный элемент датчика, причем плоскость открытого торца ферритового сердечника индуктивного чувствительного элемента и одна из плоских поверхностей емкостного чувствительного элемента, направленные в одну сторону, установлены параллельно и образуют чувствительную поверхность датчика, а дальность действия электромагнитного поля у открытого торца ферритового сердечника вдоль его оси симметрии, перпендикулярной плоскости этого торца, превышает дальность действия электрического поля емкостного чувствительного элемента вдоль его оси симметрии, перпендикулярной его плоским поверхностям.
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 - диаграммы напряжений, поясняющие работу схемы датчика при срабатывании его от неметаллических изделий в режимах селективного и неселективного контроля неметаллических изделий; на фиг.4 - диаграммы напряжений, поясняющие работу схемы датчика при срабатывании его от металлических изделий в режимах селективного и неселективного контроля металлических изделий.
Датчик содержит (см. фиг.1) последовательно соединенные мультивибратор 1 с емкостным чувствительным элементом 2 в виде токопроводящей пластины, выполненный, 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, выполненный, 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 напряжение в постоянное. М.: "Сов. радио", 1977, с.174, рис.4.9, б), первый пороговый элемент 4, выполненный, например, по схеме триггера Шмитта, последовательно соединенные высокочастотный генератор электрических колебаний 5 с индуктивным чувствительным элементом 6, выполненным в виде катушки индуктивности 7, помещенной в кольцевом пазу открытой чашки ферритового сердечника 8 с центральным сквозным отверстием, к цепям колебательного контура которого подключены выходы индуктивного чувствительного элемента 6, выполненный, например, по схеме автогенератора электрических колебаний с индуктивной трехточкой на основе транзистора (см. книгу "Виленский П.И., Срибнер Л.А. Бесконтактные путевые выключатели. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 80 с., ил. - (Библиотека по автоматике; Вып. 654)", стр.20, рис.10, а; стр.38, рис.25), второй пороговый элемент 9, выполненный, например, по схеме триггера Шмитта, инвертор 10, а также переменный резистор 11 для настройки генератора 5, включенный в цепи его отрицательной обратной связи, выходную клемму 12, являющуюся выходом датчика, первый и второй логические элементы 2И 13 и 14, первые входы которых подключены к выходам соответственно первого и второго пороговых элементов 4 и 9, вторые входы - к выходам соответственно инвертора 10 и первого порогового элемента 4, первую и вторую входные клеммы 21, 22, соединенные с третьими входами соответственно первого и второго логических элементов 13 и 14 и являющиеся соответственно первым и вторым входами для расширения функциональных возможностей датчика и установки нужного режима контроля изделий. При этом выходы первого и второго логических элементов 13 и 14, выполненные в виде открытых выходов Н-типа (см. ГОСТ 2. 743-91, таблица 4), например, на транзисторах р-n-р типа с открытыми коллекторами и соединенные между собой, подключены к выходной клемме 12. Установка амплитуды генерируемых электрических колебаний генератора 5 при его настройке переменным резистором 11 производится на таком уровне, чтобы дальность действия электромагнитного поля 15 у открытого торца чашки ферритового сердечника 8 в направлении его оси симметрии, перпендикулярной плоскости торцевой поверхности чашки ферритового сердечника 8, превышала дальность действия электрического поля 16 емкостного чувствительного элемента 2 вдоль его оси симметрии, перпендикулярной его плоским повехностям (см. фиг.2). Такая настройка резистором 11 генератора необходима для обеспечения гарантированной возможности 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 реализовать принцип действия датчика в режимах селективного контроля металлических и неметаллических изделий, а также повысить надежность работы датчика при попадании посторонних металлических предметов в зону действия электромагнитного поля 15.
Индуктивный чувствительный элемент 6 включает в себя катушку индуктивности 7, ферритовый сердечник 8 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 8 установлена обмотка катушки индуктивности 7. У открытого торца чашки ферритового сердечника 8 при подаче высокочастотного сигнала на катушку индуктивности 7 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 7, и наружным кольцевым выступом чашки, охватывающим своей внутренней боковой поверхностью наружную боковую поверхность катушки индуктивности 7 по ее периметру. При этом непосредственно у передней кромки центрального сквозного отверстия со стороны открытого торца чашки ферритового сердечника 8 существует поток рассеяния (на фиг.2 не показан для лучшей читаемости чертежа) электромагнитного поля 15. 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, т.е. происходит экранирование этим слоем электромагнитного поля со стороны закрытого торца ферритового сердечника 8. Индуктивный и емкостной чувствительные элементы 6, 2 образуют чувствительный элемент датчика, а плоскость открытого торца чашки ферритового сердечника 8 и одна из двух плоских поверхностей емкостного чувствительного элемента 2, направленные в одну сторону, т.е. в сторону контролируемого изделия 17, 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 8 индуктивного чувствительного элемента 6. При этом центральное отверстие в виде сквозного отверстия чашки ферритового сердечника 8 позволяет конструктивно выполнить электрическое соединение емкостного элемента 2 с мультивибратором со стороны закрытого торца чашки ферритового сердечника 8, 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 сквозного центрального отверстия чашки ферритового сердечника 8 соосно с этим отверстием, со смещением относительно поверхности открытого торца чашки ферритового сердечника 8 вдоль оси симметрии центрального сквозного отверстия ферритового сердечника 8 в сторону, противоположную расположению катушки индуктивности 7, т.е. в сторону закрытого торца ферритового сердечника 8. Наличие такого смещения не позволяет магнитному потоку рассеяния электромагнитного поля 15, существующего непосредственно у передней кромки центрального сквозного отверстия со стороны открытого торца чашки ферритового сердечника 8, 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.
Такое взаимное расположение в пространстве емкостного чувствительного элемента 2, индуктивного чувствительного элемента 6 и контролируемого изделия 17 (см. фиг.2) при прохождении им в направлении стрелок 18 (19) и 20 относительно чувствительного элемента датчика параллельно его чувствительной поверхности в пределах действия электромагнитного поля 15 у открытого торца чашки ферритового сердечника 8 и электрического поля 16 емкостного чувствительного элемента 2 всегда обеспечивает последовательное взаимодействие контролируемого изделия 17 с электромагнитным полем 15 и электрическим полем 16. Это, в свою очередь, позволяет:
1) при взаимодействии металлического контролируемого изделия 17 или постороннего металлического предмета и индуктивного чувствительного элемента 6 сформировать на выходе порогового элемента 9 прямоугольный импульс напряжения с уровнем логической "1" длительностью, равной длительности нахождения контролируемого металлического изделия 17 или постороннего металлического предмета в электромагнитном поле 15 индуктивного чувствительного элемента 6;
2) при взаимодействии металлического контролируемого изделия 17 или постороннего металлического предмета и емкостного чувствительного элемента 2 сформировать на выходе порогового элемента 4 прямоугольный импульс напряжения с уровнем логической "1" длительностью, равной длительности нахождения контролируемого металлического изделия 17 в электрическом поле 16 емкостного чувствительного элемента 2;
3) при взаимодействии контролируемого неметаллического изделия 17 с электрическим полем 16 емкостного чувствительного элемента 2 сформировать на выходе порогового элемента 4 прямоугольный импульс напряжения с уровнем логической "1" длительностью, равной длительности нахождения контролируемого неметаллического изделия 17 в электрическом поле 16 емкостного чувствительного элемента 2. При взаимодействии неметаллического контролируемого изделия 17 и индуктивного чувствительного элемента 6 формирования на выходе порогового элемента 9 прямоугольного импульса напряжения с уровнем логической "1" не происходит вследствие отсутствия внесения существенного затухания неметаллическим контролируемым изделием 17 в колебательный контур генератора 5;
4) получить на выходе порогового элемента 9 импульс длительностью всегда большей, чем длительность импульса на выходе порогового элемента 4;
5) обеспечить расстановку на временной оси сформированных импульсов таким образом, чтобы выходной импульс порогового элемента 9 большей длительности всегда "охватывал" выходной импульс порогового элемента 4 меньшей длительности.
Таким образом, такое взаимное расположение емкостного чувствительного элемента 2, индуктивного чувствительного элемента 6, электрического и электромагнитного полей 16 и 15 и 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 принцип действия датчика в режимах селективного (избирательного) и неселективного контроля металлических и неметаллических изделий, а также устранить ложные срабатывания датчика от посторонних металлических предметов, случайно попадающих в зону действия электромагнитного поля 15 его индуктивного чувствительного элемента 6 и тем самым повысить надежность работы датчика.
Датчик работает следующим образом.
В дальнейшем при рассмотрении работы датчика в различных режимах будет подразумеваться, что между выходной клеммой 12 и общей шиной источника напряжения питания датчика подключено нагрузочное сопротивление (на фиг.1 не показано), чтобы логические уровни напряжений, приводимые ниже в тексте, реально соответствовали логическим уровням напряжений на выходах логических элементов 13, 14 с открытыми коллекторами и на выходной клемме 12 схемы, приведенной на фиг.1.
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". Поэтому с выхода детектора 3 на вход порогового элемента 4 подается напряжение с уровнем логического "0". После чего пороговый элемент 4 переключается в такое устойчивое состояние, при котором на его выходе, на первом и втором входах соответственно логических элементов 13 и 14 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 пороговое значение напряжения триггера порогового элемента 9. При этом пороговый элемент 9 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 первый вход логического элемента 14 и на вход инвертора 10. Под действием этого напряжения на выходе инвертора 10 и на втором входе логического элемента 13 устанавливается напряжение U3 с уровнем логической "1" (см. фиг.3, фиг.4). Но уровень логической "1" этого напряжения на выход логического элемента 13 не проходит, и на его выходе устанавливается напряжение 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. Наряду с этим, на первом и втором входах логического элемента 14 с выходов пороговых элементов 9 и 4 установлены соответственно напряжения U1 и U2 с уровнями логического "0", поэтому на выходе логического элемента 14 устанавливается напряжение с уровнем логического "0". Так как логические элементы 13 и 14 с открытыми коллекторными выходами, соединенными между собой, реализуют логическую функцию МОНТАЖНОЕ ИЛИ, на их выходах и на выходной клемме 12 устанавливается напряжение U4 с уровнем логического "0" (см. фиг.3, фиг.4).
Таким образом, после подачи напряжения питания датчик устанавливается в исходное состояние, при котором на выходной клемме 12 устанавливается напряжение U4 с уровнем логического "0", контролируемое изделие 17 находится за пределами зоны чувствительной поверхности датчика, т.е. за пределами зон действия электромагнитного и электрического полей 15, 16 индуктивного и емкостного чувствительных элементов 6 и 2 соответственно, а дальность действия электромагнитного поля 15 у открытого торца ферритовой чашки ферритового сердечника 8 вдоль его оси симметрии, перпендикулярной плоскости этого торца, превышает дальность действия электрического поля 16 вдоль оси симметрии емкостного чувствительного элемента 2, перпендикулярной его обеим плоским поверхностям. После чего датчик готов к первому циклу контроля металлических и неметаллических изделий.
Далее рассмотрим работу предлагаемого датчика в четырех режимах.
Режим 1. Режим селективного контроля неметаллического изделия, при котором на первой и второй входных клеммах 21, 22 установлены напряжения с логическими уровнями "1" и "0" соответственно.
В этом случае контролируемое изделие 17 (см. фиг.2) перемещается в радиальном направлении, т.е. перпендикулярно осям симметрии ферритового сердечника 8 и емкостного чувствительного элемента 2, 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 в направлении стрелки 18 (19) в зону чувствительной поверхности датчика неметаллического изделия 17 оно входит в зону действия электромагнитного поля 15. В результате срыва генерации электрических колебаний генератора 5 не происходит вследствие отсутствия внесения затухания в его колебательный контур контролируемым изделием 17. При этом генератор 5 продолжает находиться в исходном состоянии, поэтому пороговый элемент 9 продолжает также находиться в исходном состоянии. В результате напряжение в остальных точках схемы датчика и состояния диаграмм, приведенных на фиг.3, установившиеся до момента вхождения контролируемого изделия 17 в зону действия электромагнитного поля 15, не изменились.
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 ним 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 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" (см. фиг.3), которое подается на первый и второй входы соответственно логических элементов 13 и 14. Но на выход логического элемента 14 уровень логической "1" напряжения U2 не проходит, и на его выходе продолжает присутствовать напряжение с уровнем логического "0", так как на первый и третий входы логического элемента 14 соответственно с выхода порогового элемента 4 и с входной клеммы 22 поданы напряжения с уровнями логического "0". Вместе с тем, на трех входах логического элемента 13 установлены с выходов порогового элемента 4, инвертора 10 и с входной клеммы 21 напряжения с уровнями логической "1", поэтому на его выходе устанавливается напряжение также с уровнем логической "1". Так как логические элементы 13 и 14 с открытыми коллекторными выходами, соединенными между собой, реализуют логическую функцию МОНТАЖНОЕ ИЛИ, на их выходах и на выходной клемме 12 устанавливается напряжение U4 с уровнем логической "1" (см. фиг.3).
Далее перемещающееся контролируемое изделие 17, по-прежнему оставаясь в зоне действия электромагнитного поля 15, через некоторый промежуток времени 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" (см. фиг.3), которое подается на первый и второй входы соответственно логических элементов 13 и 14. После чего на первом входе логического элемента 13 устанавливается напряжение U2 с уровнем логического "0", поэтому на его выходе устанавливается напряжение с уровнем логического "0". Вместе с тем, на трех входах логического элемента 14 устанавливаются с выходов пороговых элементов 9, 4 и с входной клеммы 22 напряжения с уровнями логического "0". В результате на выходе логического элемента 14 продолжает присутствовать напряжение с уровнем логического "0". Так как логические элементы 13 и 14 с открытыми коллекторными выходами, соединенными между собой, реализуют логическую функцию МОНТАЖНОЕ ИЛИ, на их выходах и на выходной клемме 12 устанавливается напряжение U4 с уровнем логического "0" (см. фиг.3). На этом формирование импульса напряжения U4 с уровнем логической "1" на выходной клемме 12, несущего информацию о контроле неметаллического изделия, заканчивается.
И на последнем отрезке времени 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 9 также продолжает находиться в исходном состоянии, при котором на его выходе и на входе инвертора 10 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, не изменились. На этом цикл контроля неметаллического контролируемого изделия заканчивается, и датчик устанавливается в исходное состояние.
Следовательно, при прохождении контролируемого неметаллического изделия 17 в радиальном направлении в одном из направлений по стрелке 18 или 19 на выходной клемме 12 формируется потенциальный сигнал напряжения U4 с уровнем логической "1", несущий информацию о его контроле.
В случае введения контролируемого неметаллического изделия 17 в осевом направлении по стрелке 20, т.е. вдоль осей симметрии емкостного и индуктивного чувствительных элементов 2, 6 и параллельно чувствительной поверхности датчика, оно входит в зону действия электромагнитного поля 15, но при этом существенного затухания в колебательный контур генератора 5 не вносит. При этом изменения режима генератора 5 относительно его исходного состояния и переключения порогового элемента 9 не происходит, в результате чего напряжения в остальных точках схемы датчика и состояния диаграмм, приведенных на фиг.3, установившиеся до момента входа контролируемого изделия 17 в зону действия электромагнитного поля 15, также не изменились.
Затем через некоторый промежуток времени контролируемое изделие 17, оставаясь в зоне действия электромагнитного поля 15, входит в зону действия электрического поля 16 емкостного чувствительного элемента 2 и образует с ним 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 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 первый и второй входы соответственно логических элементов 13 и 14. Так как на трех входах логического элемента 13 установлены с выходов порогового элемента 4, инвертора 10 и с входной клеммы 21 напряжения с уровнями логической "1", на его выходе устанавливается напряжение также с уровнем логической "1". Но при этом уровень логической "1" напряжения U2 с выхода порогового элемента 4 на выход логического элемента 14 не проходит, и на его выходе продолжает присутствовать напряжение с уровнем логического "0", так как на его первом и третьем входах установлены соответственно с выхода порогового элемента 9 и с входной клеммы 22 напряжения с уровнями логического "0". Так как логические элементы 13 и 14 с открытыми коллекторными выходами, соединенными между собой, реализуют логическую функцию МОНТАЖНОЕ ИЛИ, на их выходах и на выходной клемме 12 устанавливается напряжение U4 с уровнем логической "1" (см. фиг.3).
Далее контролируемое изделие 17, оставаясь в зоне действия электромагнитного поля 15 и двигаясь в обратном направлении, т.е. противоположном направлении стрелки 20 в свое исходное положение, 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 первый и второй входы соответственно логических элементов 13 и 14. Под действием нулевого логического уровня напряжения U2 логический элемент 13 переключается в исходное состояние, при котором на его выходе устанавливается напряжение с уровнем логического "0". Вместе с тем, под действием напряжения U2 с выхода порогового элемента 4 переключения логического элемента 14 не происходит, так как на его трех входах установлены напряжения с уровнями логического "0", поэтому на его выходе подтверждается присутствие напряжения с уровнем логического "0". Так как логические элементы 13 и 14 с открытыми коллекторными выходами, соединенными между собой, реализуют логическую функцию МОНТАЖНОЕ ИЛИ, на их выходах и на выходной клемме 12 устанавливается напряжение U4 с уровнем логического "0" (см. фиг.3). На этом формирование импульса напряжения U4 с уровнем логической "1" на выходной клемме 12, несущего информацию о контроле неметаллического изделия, заканчивается.
И на последнем отрезке времени своего перемещения в обратном направлении стрелки 20 в свое исходное положение 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 9 не переключается и продолжает находиться в исходном состоянии. 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 изделия заканчивается, и датчик устанавливается в исходное состояние.
Следовательно, при перемещении контролируемого неметаллического изделия 17 относительно чувствительной поверхности датчика в осевом направлении по стрелке 20 и обратно в свое исходное положение на выходной клемме 12 формируется потенциальный сигнал напряжения U4 с уровнем логической "1", несущий информацию о его контроле.
Таким образом, в рассмотренном режиме работы датчика сигнал на его выходной клемме 12 однозначно соответствует потенциальному информационному сигналу, несущему информацию только о контроле неметаллического изделия, чем и обеспечивается селективность (избирательность) датчика в отношении неметаллических контролируемых изделий.
Режим 2. Режим селективного контроля металлического изделия, при котором на первой и второй входных клеммах 21, 22 установлены напряжения с логическими уровнями "0" и "1" соответственно.
В этом случае после установки датчика в исходное состояние контролируемое изделие 17 (см. фиг.2) перемещается в радиальном направлении, т.е. перпендикулярно осям симметрии емкостного и индуктивного чувствительных элементов 2, 6 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 в направлении стрелки 18 (19) в зону чувствительной поверхности датчика металлического изделия 17 оно входит в зону действия электромагнитного поля 15. При этом происходит срыв генерации электрических колебаний генератора 5 вследствие существенного внесения затухания контролируемым изделием 17 в его колебательный контур. В результате составляющая постоянного напряжения на выходе генератора 5 уменьшается до такого значения, при котором оно становится ниже порогового значения напряжения триггера порогового элемента 9, в результате последний переключается в другое устойчивое состояние, при котором на его выходе, на первом входе логического элемента 14 и на входе инвертора 10 устанавливается напряжение U1 с уровнем логической "1" (см. фиг.4). Но уровень логической "1" напряжения U1 на выход логического элемента 14 не проходит, и на его выходе продолжает присутствовать напряжение с уровнем логического "0", так как на его втором входе с выхода порогового элемента 4 установлено напряжение U2 с уровнем логического "0", запрещающее его прохождение. При этом под действием уровня логической "1" напряжения U1 с выхода порогового элемента 4 на выходе инвертора 10 и на втором входе логического элемента 13 устанавливается напряжение U3 с уровнем логического "0", которое подтверждает присутствие на его выходе напряжения с уровнем логического "0". Так как логические элементы 13 и 14 с открытыми коллекторными выходами, соединенными между собой, реализуют логическую функцию МОНТАЖНОЕ ИЛИ, на их выходах и на выходной клемме 12 продолжает присутствовать напряжение U4 с уровнем логического "0" (см. фиг.4).
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 ним 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 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" (см. фиг.4), которое подается на первый и второй входы соответственно логических элементов 13 и 14. Но на выход логического элемента 13 уровень логической "1" этого напряжения не проходит, и на нем продолжает присутствовать напряжение с уровнем логического "0", так как на его второй и третий входы соответственно с выхода инвертора 10 и с входной клеммы 21 поданы напряжения с уровнями логического "0". Вместе с тем, на трех входах логического элемента 14 с выходов пороговых элементов 9, 4 и с входной клеммы 22 установлены напряжения с уровнями логической "1", поэтому на его выходе устанавливается напряжение также с уровнем логической "1". Так как логические элементы 13 и 14 с открытыми коллекторными выходами, соединенными между собой, реализуют логическую функцию МОНТАЖНОЕ ИЛИ, на их выходах и на выходной клемме 12 устанавливается напряжение U4 с уровнем логической "1" (см. фиг.4).
При дальнейшем перемещении в выбранном направлении 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" (см. фиг.4), которое подается на первый и второй входы соответственно логических элементов 13 и 14. Так как на трех входах логического элемента 13 с выходов порогового элемента 4, инвертора 10 и с входной клеммы 21 установлены напряжения с уровнями логического "0", на его выходе подтверждается присутствие напряжения с уровнем логического "0". Вместе с тем, под действием нулевого уровня напряжения U2 с выхода порогового элемента 4 происходит переключение логического элемента 14, и на его выходе устанавливается напряжение с уровнем логического "0". Так как соединенные между собой выходы логических элементов 13 и 14 с открытыми коллекторными выходами реализуют логическую функцию МОНТАЖНОЕ ИЛИ, на их выходах и на выходной клемме 12 устанавливается напряжение U4 с уровнем логического "0" (см. фиг.4). На этом формирование импульса напряжения U4 с уровнем логической "1" на выходной клемме 12, несущего информацию о контроле металлического изделия, заканчивается.
И на последнем отрезке времени своего перемещения контролируемое 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 9 переключается в исходное состояние, при котором на его выходе, на первом входе логического элемента 14 и на входе инвертора 10 устанавливается напряжение U1 с уровнем логического "0". Но под действием этого нулевого уровня напряжения U1 переключения логического элемента 14 не происходит, и на его выходе подтверждается присутствие напряжения с уровнем логического "0", так как на его втором входе к этому моменту установлено с выхода порогового элемента 4 напряжение U2 с уровнем логического "0". Вместе с тем, под действием нулевого уровня напряжения U1 с выхода порогового элемента 9 на выходе инвертора 10 устанавливается напряжение U3 с уровнем логической "1". Но на выход логического элемента 13 уровень логической "1" этого напряжения не проходит, и на его выходе подтверждается присутствие напряжения с уровнем логического "0", так как на его первом и третьем входах соответственно с выходов порогового элемента 4 и с входной клеммы 21 установлены напряжения с уровнями логического "0", запрещающие его прохождение. Так как логические элементы 13 и 14 с открытыми коллекторными выходами, соединенными между собой, реализуют логическую функцию МОНТАЖНОЕ ИЛИ, на их выходах и на выходной клемме 12 подтверждается присутствие напряжения U4 с уровнем логического "0" (см. фиг.4). На этом цикл контроля металлического изделия на выходной клемме 12 заканчивается, и датчик устанавливается в исходное состояние.
Следовательно, при прохождении контролируемого металлического изделия 17 в радиальном направлении в одном из направлений по стрелке 18 или 19 на выходной клемме 12 формируется потенциальный сигнал напряжения U4 с уровнем логической "1", несущий информацию о его контроле.
В случае введения контролируемого металлического изделия 17 в осевом направлении по стрелке 20, т.е. вдоль осей симметрии индуктивного и емкостного чувствительных элементов 6, 2 и параллельно чувствительной поверхности датчика, оно входит в зону действия электромагнитного поля 15. При этом им вносится существенное затухание в колебательный контур генератора, в результате генератор 5 переходит в режим срыва генерации электрических колебаний, а пороговый элемент 9 переключается в другое устойчивое состояние, при котором на его выходе, на первом входе логического элемента 14 и на входе инвертора 10 устанавливается напряжение U1 с уровнем логической "1" (см. фиг.4). Но уровень логической "1" этого напряжения на выход логического элемента 14 не проходит, и на его выходе подтверждается присутствие напряжения с уровнем логического "0", так как на его втором входе с выхода порогового элемента 4 установлено напряжение U2 с уровнем логического "0". Вместе с тем, под действием уровня логической "1" напряжения U1 с выхода порогового элемента 9 на выходе инвертора 10 и на втором входе логического элемента 13 устанавливается напряжение U3 с уровнем логического "0" (см. фиг.4). Так как на трех входах логического элемента 13 установлены с выходов порогового элемента 4, инвертора 10 и с входной клеммы 21 напряжения с уровнями логического "0", на его выходе подтверждается присутствие напряжения с уровнем логического "0". Так как логические элементы 13 и 14 с открытыми коллекторными выходами, соединенными между собой, реализуют логическую функцию МОНТАЖНОЕ ИЛИ, на их выходах и на выходной клемме 12 продолжает присутствовать напряжение U4 с уровнем логического "0".
Затем через некоторый промежуток времени контролируемое изделие 17, оставаясь в зоне действия электромагнитного поля 15, входит в зону действия электрического поля 16 емкостного чувствительного элемента 2 и образует с ним 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 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" (см. фиг.4), которое подается на первый и второй входы соответственно логических элементов 13 и 14. Но на выход логического элемента 13 уровень логической "1" напряжения U2 с выхода порогового элемента 4 не проходит, и на его выходе подтверждается присутствие напряжения с уровнем логического "0", так как на его втором и третьем входах установлены соответственно с выхода инвертора 10 и с входной клеммы 21 напряжения с уровнями логического "0", запрещающие его прохождение. Вместе с тем, на трех входах логического элемента 14 устанавливаются с выходов пороговых элементов 4, 9 и с входной клеммы 22 напряжения с уровнями логической "1", поэтому на его выходе устанавливается напряжение с уровнем логической "1". Так как логические элементы 13 и 14 с открытыми коллекторными выходами, соединенными между собой, реализуют логическую функцию МОНТАЖНОЕ ИЛИ, на их выходах и на выходной клемме 12 устанавливается напряжение U4 с уровнем логической "1" (см. фиг.4).
Далее контролируемое изделие 17, оставаясь в зоне действия электромагнитного поля 15 и двигаясь в обратном направлении, т.е. противоположном направлении стрелки 20 в свое исходное положение, 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" (см. фиг.4), которое подается на первый и второй входы соответственно логических элементов 13 и 14. Под действием нулевого уровня этого напряжения происходит переключение логического элемента 14 также в исходное состояние, при котором на его выходе устанавливается напряжение с уровнем логического "0". Вместе с тем под действием напряжения U2 с уровнем логического "0" переключения логического элемента 13 не происходит, и на его выходе подтверждается присутствие напряжения с уровнем логического "0", так как на трех входах логического элемента 13 установлены напряжения с уровнями логического "0" с выходов порогового элемента 4, выхода инвертора 10 и с входной клеммы 21. Так как логические элементы 13 и 14 с открытыми коллекторными выходами, соединенными между собой, реализуют логическую функцию МОНТАЖНОЕ ИЛИ, на их выходах и на выходной клемме 12 устанавливается напряжение U4 с уровнем логического "0" (см. фиг.4). На этом формирование импульса напряжения U4 с уровнем логической "1" на выходной клемме 12, несущего информацию о контроле металлического изделия, заканчивается.
И на последнем отрезке времени своего перемещения в обратном направлении стрелки 20 в свое исходное положение контролируемое 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 9 переключается в исходное состояние, при котором на его выходе, первом входе логического элемента 14 и на входе инвертора 10 устанавливается напряжение U1 с уровнем логического "0". Но под действием нулевого уровня этого напряжения переключения логического элемента 14 не происходит, и на его выходе подтверждается присутствие напряжения с уровнем логического "0", так как на его втором входе установлено к этому моменту с выхода порогового элемента 4 напряжение U2 с уровнем логического "0". Вместе с тем, под действием нулевого уровня напряжения U1 с выхода порогового элемента 9 на выходе инвертора 10 устанавливается напряжение U3 с уровнем логической "1" (см. фиг.4), которое подается на второй вход логического элемента 13. Но на его выход уровень логической "1" этого напряжения не проходит, и на его выходе подтверждается присутствие напряжения с уровнем логического "0", так как на первом и третьем входах логического элемента 13 с выходов порогового элемента 4 и с входной клеммы 21 установлены напряжения с уровнями логического "0", запрещающие его прохождение. Так как логические элементы 13 и 14 с открытыми коллекторными выходами, соединенными между собой, реализуют логическую функцию МОНТАЖНОЕ ИЛИ, на их выходах и на выходной клемме 12 устанавливается напряжение U4 с уровнем логического "0". На этом цикл контроля металлического изделия на выходной клемме 12 заканчивается, и датчик устанавливается в исходное состояние.
Следовательно, при перемещении контролируемого металлического изделия 17 относительно чувствительной поверхности датчика в осевом направлении по стрелке 20 и обратно в свое исходное положение на выходной клемме 12 происходит формирование потенциального сигнала напряжения U4 с уровнем логической "1", несущего информацию о его контроле.
Таким образом, в рассмотренном режиме работы датчика сигнал на его выходной клемме 12 однозначно соответствует потенциальному информационному сигналу, несущему информацию о контроле только металлического изделия, чем и обеспечивается селективность (избирательность) датчика в отношении металлических контролируемых изделий.
Режим 3. Режим неселективного контроля металлического и неметаллического изделия, при котором на первой и второй входных клеммах 21, 22 установлены напряжения с уровнями логической "1".
В данном режиме контроля датчик в одинаковой мере срабатывает как от металлических, так и от неметаллических контролируемых изделий. Работа датчика в этом режиме аналогична его работе в описанных выше режимах: при контроле неметаллических изделий его работа аналогична работе в режиме селективного контроля неметаллических изделий и описывается диаграммами, приведенными на фиг.3, а при контроле металлических изделий - работе в режиме селективного контроля металлических изделий и описывается диаграммами, приведенными на фиг.4. Отличие работы датчика в режиме неселективного контроля от селективных режимов работы состоит в том, что при неселективном режиме оба логических элемента 13, 14 находятся во включенном состоянии под действием напряжений с уровнями логической "1", установленных соответственно на входных клеммах 21 и 22, в то время как в режимах селективного контроля один из двух логических элементов 13 или 14 находится во включенном или выключенном (заблокированном) состоянии под действием напряжений соответственно с логическими уровнями "1" или "0", установленных на одной из входных клемм 21 или 22.
Режим 4. Режим стробирования датчика, при котором на первой и второй входных клеммах 21, 22 установлены напряжения с уровнями логического "0".
В данном режиме логические элементы 13, 14 переводятся в отключенное (заблокированное) состояние под действием напряжений с уровнями логического "0", установленных на входных клеммах 21, 22. Поэтому поступающие на соответствующие входы логических элементов 13, 14 сигналы с выходов инвертора 10 и пороговых элементов 4, 9 на их выходы и на выходную клемму 12 не проходят. В результате выход датчика продолжает находиться в исходном состоянии, при котором на нем установлено напряжение U4 с уровнем логического "0". Режим стробирования предназначен для отключения датчика по его выходу от схемы технологического оборудования при его наладке.
Повышение надежности работы датчика при случайном попадании в зону действия электромагнитного поля 15 его чувствительного элемента посторонних металлических предметов, когда датчик находится в исходном положении, а контролируемое им изделие - за пределами действия его чувствительного элемента, происходит следующим образом.
При попадании металлического предмета в зону действия электромагнитного поля 15 пороговым элементом 9 формируется ложный импульс напряжения U1 с уровнем логической "1". Импульс напряжения U1 подается на первый вход логического элемента 14 и на вход инвертора 10, под действием которого на выходе последнего формируется ложный импульс напряжения U3 с уровнем логического "0", который подается на второй вход логического элемента 13 и блокирует его. Но при этом уровень логической "1" ложного импульса с напряжением U1 на выход логического элемента 14 и на выходную клемму 12 в режимах контроля 1, 2 и 3 не проходит, и на его выходе, на выходной клемме 12 продолжает присутствовать напряжение U4 с уровнем логического "0", так как в указанных режимах работы датчика на втором входе логического элемента 14 с выхода порогового элемента 4 установлено напряжение U2 с уровнем логического "0", запрещающего его прохождение. Таким образом, на выходе логического элемента 14 формирования ложного импульса напряжения U4 с уровнем логической "1" от посторонних металлических предметов не происходит и тем самым устраняются ложные срабатывания на выходной клемме 12, чем и обеспечивается повышение надежности работы предлагаемого датчика.
Наряду с этим предлагаемый датчик также обеспечивает высокую надежность работы при случайном попадании в зоны действия электромагнитного и электрического полей 15, 16 посторонних металлических предметов в режиме контроля 1 (режим селективного контроля неметаллических изделий), когда датчик находится в исходном положении, а контролируемое им изделие - за пределами действия его чувствительного элемента. Это происходит следующим образом.
При попадании металлического предмета в зоны действия электромагнитного и электрического полей 15, 16 на выходах пороговых элементов 9 и 4 последовательно формируются ложные импульсы напряжений U1 и U2 с уровнями логической "1", которые подаются соответственно на первый вход логического элемента 14, вход инвертора 10 и на первый вход логического элемента 13, на второй вход логического элемента 14. При этом на выходе инвертора 10 под действием импульса напряжения U1 с уровнем логической "1" формируется ложный импульс напряжения U3 с уровнем логического "0". Но ложные импульсы напряжений U1 и U2 с уровнями логической "1" с выходов пороговых элементов 9 и 4 соответственно через первый и второй входы логического элемента 14 на его выход и выходную клемму 12 не проходят, так как на его третьем входе через входную клемму 22 установлено напряжение с уровнем логического "0", запрещающее их прохождение. Вместе с тем, ложный импульс напряжения U2 с выхода порогового элемента 4 через первый вход логического элемента 13 на его выход и на выходную клемму 12 не проходит, и на выходной клемме 12 продолжает присутствовать напряжение U4 с уровнем логического "0", так как на его второй вход с выхода инвертора 10 подается одновременно ложный импульс напряжения U3 с уровнем логического "0", запрещающий его прохождение.
Таким образом, в этом случае на выходах логических элементов 13, 14 формирования ложного импульса напряжения U4 с уровнем логической "1" от посторонних металлических предметов, попадающих в зоны действия электромагнитного и электрического полей 15, 16, не происходит, т.е. устраняются ложные срабатывания на выходной клемме 12, чем и обеспечивается в этом случае высокая надежность работы предлагаемого датчика.
Следовательно, предлагаемый датчик по сравнению с прототипом имеет расширенные функциональные возможности, так как наряду с неселективным режимом его работы, при котором он в одинаковой мере срабатывает как от металлических, так и от неметаллических изделий, он обеспечивает режимы селективного контроля металлических и неметаллических изделий, при которых он срабатывает только от металлических или только от неметаллических изделий соответственно, а также режим стробирования датчика, обеспечивающий отключение датчика по его выходу от схемы управления технологического оборудования, в котором он эксплуатируется, при его отладке и проверке работоспособности в ручном режиме.