ФАЗОГЕНЕРАТОРНЫЙ ДАТЧИК КОНТРОЛЯ ФЕРРИТОВЫХ ОБЪЕКТОВ
PHASE-GENERATOR SENSOR OF FERRITE OBJECT CONTROL

Изобретение относится к индуктивным датчикам контроля приближения токопроводящего объекта, в частности - объектов из феррита, датчик построен на фазогенераторном принципе действия. Может найти применение при разработке и производстве индуктивных датчиков контроля ферритовых объектов, в том числе - перемещающихся с большой линейной скоростью.
Известно устройство фазогенераторного датчика на основе двух, рабочего и опорного, связанных между собой элементами связи, например - конденсаторами, индуктивных генераторов, параметры колебаний которых достаточно 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° из-за срыва синхронизация генераторов. Избежать явления срыва синхронизации генераторов можно, усилив связь между их колебательными контурами, но в этом случае значительно уменьшается чувствительность.
Свободным от указанного недостатка является известное устройство [Патент РФ RU 98576 U1], принятое за прототип. Оно состоит из двух связанных между собой, рабочего и опорного, 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 рабочего генератора соединен с первым входом логической схемы 2И-НЕ своего генератора, выход инвертора опорного генератора соединен со вторым входом логической схемы 2И-НЕ рабочего 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 рабочего генератора, С-вход - с выходом инвертора опорного 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. 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 опорного генератора на цепь обратной связи рабочего генератора посредством логической схемы 2И-НЕ рабочего 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 опорного генератора на С-вход приходит несколько раньше переднего фронта сигнала рабочего 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 рабочего генератора происходит внесение реактивного и активного сопротивлений объекта в его колебательный и соответствующее изменение фазы его колебаний относительно фазы колебаний опорного генератора. За счет связи опорного генератора с рабочим генератором через логическую цепь обратной связи осуществляется синхронизация колебаний рабочего генератора с колебаниями опорного при изменяющейся разности фаз между сигналами генераторов, обусловленной воздействием на рабочий генератор токопроводящего объекта. В некоторый момент времени передний фронт сигнала рабочего генератора начинает опережать передний фронт сигнала опорного 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 рабочего генератора происходят обратные процессы. Разность фаз между сигналами генераторов уменьшается и в некоторый момент времени передний фронт рабочего генератора отстает от переднего фронта опорного генератора. В D - триггер вновь записывается логический ноль и снимается управляющее воздействие с транзисторного силового ключа, который изменяет свое состояние на исходное.
Данное устройство, принятое за прототип, обладает устойчивостью к значительному расхождению фаз сигналов генераторов и сохраняет нормальное функционирование вплоть до разности фаз, не превышающей 180°. При этом оно обладает хорошей чувствительностью и весьма высокой частотой срабатывания, составляющей сотни килогерц и более.
Недостатком устройства, принятого за прототип, является то, что при внесении ферритового объекта в активную зону катушки индуктивности рабочего генератора устройство не срабатывает из-за того, что происходит увеличение индуктивности этой катушки и соответственно увеличивается период собственных колебаний контура. При этом активный фронт сигнала рабочего автогенератора смещается далеко в право за активный фронт сигнала опорного генератора, чем формируется на D-входе D-триггера устойчивое состояние логического нуля. Имеющаяся система синхронизации обеспечивает синхронизм моментов включения положительной обратной связи рабочего генератора, практически никак не влияя на процессы свободных колебаний его колебательного контура контура между моментами синхронизации. Поэтому устройство-прототип оказывается неработоспособным при внесении в активную зону катушки индуктивности рабочего генератора объекта из феррита.
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в обеспечении работоспособности датчика при воздействии ферритового объекта, увеличивающего индуктивность колебательного контура генератора.
Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением - обеспечение контроля ферритовых объектов.
Технический результат достигается за счет того, что в предлагаемом устройстве в качестве первичного преобразователя, взаимодействующего с контролируемым ферритовым объектом, задана катушка индуктивности опорного генератора.
Предлагаемое устройство по своей функциональной структуре и ее реализации полностью соответствует прототипу, но имеет существенное для получения технического результата отличие - в качестве первичного преобразователя, взаимодействующего с ферритовым объектом, используется катушка индуктивности опорного генератора. В исходном состоянии, когда устройство выключено, соотношение активных фронтов сигналов рабочего и эталонного генераторов таково, что активный фронт рабочего сигнала отстает от активного фронта опорного сигнала, он смещен вправо (позже) по времени. Введенное отличие от устройства-прототипа приводит к тому, что при внесении ферритового объекта в активную зону катушки индуктивности опорного генератора положение активного фронта сигнала рабочего генератора на D-входе практически неизменно при происходящем увеличении периода колебаний опорного генератора из-за увеличения индуктивности его колебательного контура. Увеличение периода колебаний опорного генератора приводит к смещению активного фронта его сигнала вправо, формируя по мере приближения феррита отставание от активного фронта сигнала рабочего генератора при внесении ферритового объекта в активную зону опорного генератора. В некоторый момент наступает такое соотношение фронтов, при котором на D-входе активный уровень сигнал рабочего генератора появляется раньше чем, чем активный фронт сигнала опорного генератора. В D-триггер записывается логическая единица и выход устройства включается.
При удалении ферритового объекта из активной зоны катушки индуктивности опорного генератора ее индуктивность уменьшается. Уменьшается при этом период сигнала опорного генератора, что в некоторый момент времени приводит, при дальнейшем удалении ферритового объекта, к отставанию активного фронта сигнала рабочего генератора от активного фронта опорного генератора, что вызывает выключение выхода устройства.
Предлагаемое устройство, обладая положительными качествами прототипа - простотой конструкции и большим значением частоты срабатывания, составляющим сотни килогерц и более, за счет задания в качестве первичного преобразователя, взаимодействующего с контролируемым ферритовым объектом, катушки индуктивности опорного генератора обеспечивает контроль ферритовых объектов, в том числе движущихся с большой линейной скоростью относительно активной зоны предлагаемого устройства.