ФАЗОГЕНЕРАТОРНЫЙ ДАТЧИК КОНТРОЛЯ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ТОКОПРОВОДЯЩИХ ОБЪЕКТОВ
PHASE GENERATOR SENSOR FOR MONITORING HIGH-SPEED CONDUCTIVE OBJECTS

Изобретение относится к индуктивным датчикам контроля приближения токопроводящего объекта, построен на фазогенераторном принципе действия и может найти применение при разработке и производстве индуктивных датчиков контроля приближения металлических и других токопроводящих объектов, перемещающихся с большой линейной скоростью.
Известно устройство с индуктивным автогенератором, выполненным на основе блокинг-генератора и содержащее так же последовательно соединенные амплитудный детектор, аналоговый компаратор и выходной транзисторный ключ [Виленский П.И. и Срибнер Л.А. Бесконтактные путевые выключатели - М., Энергоатомиздат, 1985 г. ]. В отсутствии токопроводящего объекта в активной зоне катушки индуктивности блокинг-генератора устройство работает в режиме непрерывных колебаний. Внесение в активную зону катушки индуктивности токопроводящего объекта из-за внесенного в колебательный контур комплексного сопротивления в некоторый момент времени нарушаются условия возбуждения блокинг-генератора и колебания срываются. Срыв автоколебаний приводит к уменьшению значения амплитуды выходного напряжения амплитудного детектора. В результате этого аналоговый компаратор изменяет состояние своего выхода, в результате чего существенно изменяется значение сигнала, поступающего от аналогового компаратора на управляющий вход силового транзисторного ключа. Известное устройство обладает несомненным достоинством - простотой конструкции, содержащей небольшое числом элементов. Но оно обладает и существенным недостатком - низкой частотой срабатывания, определяемой длительностью процессов срыва и восстановления автоколебаний в блокинг-генераторе, и наличием постоянной времени амплитудного детектора.
Известно устройство фазогенераторного датчика на основе двух связанных между собой элементами связи, например - конденсаторами, индуктивных генераторов, параметры колебаний которых близки. Конденсаторы одними своими выводами соединены друг с другом, другими - к колебательным контурам генераторов. Между точкой соединения между собой конденсаторов и общей точкой устройства подключены резистор нагрузки и регистрирующее устройство. Данное устройство [Полулях К.С. К теории фазогенераторного преобразователя //Измерительная техника, 1970 г. - №1. С. 54-57] формирует изменение фазового сдвига между сигналами двух генераторов при изменении параметров одного из колебательных контуров, что определяет высокую чувствительность и большое быстродействие. Но оно перестает функционировать при расхождении фаз сигналов генераторов более 90°. Такое явление наблюдается при поднесении на малое расстояние к катушке индуктивности одного из генераторов, например, медной пластины - срывается синхронизация генераторов. Избежать срыва синхронизации можно, усилив связь генераторов, но в этом случае значительно уменьшается чувствительность.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройство является известное устройство [Патент РФ №2322758], принятое за прототип. Оно состоит из двух связанных между собой индуктивных генераторов, активный элемент каждого из генераторов выполнен на логическом инверторе и логической схеме 2И-НЕ. Вход инвертора соединен через резистор со своим выходом и через конденсатор - со своим колебательным контуром. 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. Выходы логических схем 2И-НЕ каждого генератора через свои резисторы положительной обратной связи посредством емкостных делителей, составляющих емкость контура, соединены со своими колебательными контурами. В качестве регистрирующего устройства применен фазовый детектор в виде D-триггер, D-вход которого соединен с выходом инвертора первого генератора, С-вход - с выходом инвертора второго генератора, а выход триггера - с входом транзисторного силового ключа. Известное устройство работает следующим образом. Допустим, что параметры схем генераторов заданы достаточно близко - так, что исключен режим срыва колебаний, и ни к одной катушке индуктивности не поднесен токопроводящий объект. Первый генератор является рабочим генератором, второй - опорным, приближать токопроводящий объект будем к катушке индуктивности первого генератора. При включении питания оба генератора возбуждаются и начинают работать в непрерывном режиме. Параметры колебательных контуров выбраны таким образом, что частоты их колебаний практически совпадают. Это обеспечено так же за счет влияния второго (опорного) генератора на цепь обратной связи первого генератора посредством логической схемы 2И-НЕ первого генератора, что обеспечивает синхронизацию колебаний генераторов. Регулировкой цепи обратной связи обеспечивается 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 токопроводящего объекта в активное пространство катушки индуктивности первого генератора происходит внесение его реактивного и активного сопротивлений в колебательный контур первого генератора и соответствующее изменение фазы его колебаний относительно фазы колебаний второго генератора. За счет связи второго генератора с первым генератором через логическую цепь обратной связи осуществляется синхронизация колебаний первого генератора с колебаниями второго при изменяющейся разности фаз между сигналами генераторов, обусловленной воздействием на первый генератор токопроводящего объекта. 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 токопроводящего объекта 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, который изменяет свое состояние на исходное.
Данное устройство, принятое за прототип, обладает устойчивостью к значительному отклонению фаз сигналов генераторов и сохраняет нормальное функционирование вплоть до разности фаз, не превышающей 180°. При этом оно обладает хорошей чувствительностью и по сравнению с аналогами - весьма высокой частотой срабатывания, составляющей сотни килогерц и более. Может быть реализовано на основе серийно выпускаемых по КМОП технологии логических микросхемах Недостатком данного устройства является малое значение гистерезиса, который не превышает 1,5% от расстояния срабатывания датчика, и определяется конструктивно-технологическими свойствами входных цепей D-триггера.
Эти свойства формируются изготовителем микросхем в процессе производства и их изменение потребителем невозможно.
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в формировании значения гистерезиса внешними элементами.
Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением - увеличение гистерезиса.
Технический результат достигается за счет того, что в известное устройство введена цепь формирования гистерезиса в виде резистивного делителя, включенного между инвертирующим выходом D-триггера и общей шиной устройства, и резистора, включенного между выходом резистивного делителя и входом инвертора первого генератора.
Предлагаемое устройство содержит (см. фиг. 1) первый и второй генераторы, содержащие соответственно инверторы 1 и 2, 3 логическую схему 2И-НЕ 4, катушки 5 и 6 индуктивности, конденсаторы 7 и 8, 9 и 10 емкостных делителей, составляющих емкость своего колебательного контура, конденсаторы 11 и 12 связи, резисторы отрицательной обратной связи 13 и 14, резисторы положительной обратной связи 15 и 16; D-триггер 17 с прямым и инверсным выходами; силовой транзисторный ключ 18; цепь формирования гистерезиса, состоящую из резистивного делителя на резисторах 19 и 20, и резистора 21.
Катушка 5 (6) индуктивности первого (второго) генератора образует с последовательно соединенными конденсаторами 7(9) и 8(10) емкостного делителя параллельный колебательный контур, который через конденсатор связи 11(12) соединен с входом своего инвертора 1(2). Инверторы 1 и 2 введены в активный режим резисторами 13 и 14 отрицательной обратной связи соответственно, соединяющими вход и выход своего инвертора. Выход инвертора 1 соединен с первым входом логической схемы 2И-НЕ 4 и информационным входом D D-триггера 17; выход инвертора 2 соединен с входом инвертора 3, со вторым входом логической схемы 2И-НЕ 4 и тактовым входом С D-триггера 17. Выход логической схемы 2И-НЕ 4 через резистор положительной обратной связи 15 соединен с общей точкой конденсаторов 7 и 8 колебательного контура первого генератора, выход инвертора 4 через резистор положительной обратной связи 16 соединен с общей точкой конденсаторов 9 и 10 колебательного контура второго генератора. Инверсный выход D-триггера 17 соединен с резистором 19, который через резистор 20 соединен с общей шиной устройства. Выход резистивного делителя - общая точка резисторов 19 и 20, соединен через резистор 21 с входом первого инвертора 1. Прямой выход D-триггера 17 соединен с управляющим входом силового транзисторного ключа 18.
Работает предлагаемое устройство следующим образом. Будем полагать, что параметры схем генераторов выбраны таким образом, что исключен режим срыва колебаний и что частоты первого и второго генераторов необходимо близки. Приближение и удаление токопроводящего объекта будем осуществлять относительно катушки 5 индуктивности колебательного контура первого генератора. В исходном состоянии токопроводящий объект (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, частоты их колебаний практически совпадают. Это обеспечено так же 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. Соотношение фронтов сигналов с генераторов, поступающих на вход D и вход С D-триггера 17, соответствуют исходному состоянию устройства, и в D-триггер запишется логический ноль, что соответствует появлению на инверсном выходе D-триггера 17 напряжения логического нуля. Микросхемы, примененные в устройстве, выполнены по КМОП технологии, особенностью которой является построение элементов на полевых транзисторах, имеющих в открытом состоянии весьма малое падение напряжения. Потому уровень логической единицы на инверсном выходе D-триггера практически равен значению напряжения питания микросхем. Напряжение с инвертирующего выхода D-триггера поступает на резистивный делитель из резисторов 19 и 20. Значение сопротивления резистора 20 нижнего плеча резистивного делителя невелико и составляет несколько сотен Ом при значении сопротивления верхнего плеча - резистора 19, составляющим несколько десятков тысяч Ом. На выходе резистивного делителя появляется напряжение в несколько десятков милливольт, которое через резистор 21 поступает на вход первого инвертора 1 и смещает вверх синусоидальный сигнал, поступающий на тот же вход с параллельного колебательного контура через разделительный конденсатор 11. Такое смещение приводит к сдвигу переднего фронта сигнала на входе D D-триггера 17 дальше от переднего фронта сигнала на тактовом входе С D-триггера 17, что соответствует более позднему появлению на D-входе сигнала с уровнем логической единицы по сравнению со временем появления переднего фронта сигнала на тактовом входе С D-триггера 17. При внесении в активную зону катушки 5 индуктивности токопроводящего объекта вносится его комплексное сопротивление в колебательный контур первого генератора, в результате чего изменяется фаза его колебаний относительно колебаний второго генератора, а так же и амплитуда колебаний из-за потерь энергии контура на возбуждение токов Фуко в объекте. Так как имеется синхронизирующая связь первого генератора вторым, то значение частоты колебаний первого генератора сохраняется, но изменяется фаза колебаний относительно колебаний второго генератора. При продолжении приближения токопроводящего объекта к катушке 5 индуктивности первого генератора в некоторый момент времени передний фронт сигнала второго генератора поступит на тактовый С-вход D-триггера 17 несколько позже, нежели передний фронт сигнала первого генератора на D-вход этого триггера. В результате в D-триггер 17 запишется логическая единица, а на инвертирующем его выходе установится напряжение с уровнем логического нуля. Напряжение с резистивного делителя перестает поступать на вход первого инвертора 1 и смещение синусоидального сигнала прекращается - его средняя точка становится на несколько десятков милливольт меньше, он как бы опускается на эти милливольты к потенциалу общей шины устройства. Такое изменение приведет к еще большему сдвигу переднего фронта сигнала первого генератора на информационном входе D D-триггера 17. При отводе от катушки индуктивности первого генератора токопроводящего объекта для восстановления первоначального соотношения фронтов на входах D-триггера 17 необходимо отвести его дальше, нежели он был при записи логической единицы в D-триггер. Таким образом, за счет снятия напряжения смещения при переключении D-триггера формируется гистерезис предлагаемого устройства. Значения гистерезиса зависит от параметров резистивного делителя, напряжения питания, значения уровня логической единицы на инвертирующем выходе D-триггера, и предварительный его расчет не представляет какой-либо сложности, результат может быть проверен и откорректирован по экспериментальным данным.
Предлагаемое устройство, обладая положительными качествами прототипа - простотой конструкции и большим значением частоты срабатывания, составляющим сотни килогерц и более, за счет введения цепи формирования гистерезиса позволяет устранить дребезг выходного сигнала датчика при наложении на движение токопроводящего объекта колебаний, при этом значение гистерезиса может быть установлено при проектировании датчика.