индуктивный датчик

Формула изобретения

1. Индуктивный датчик, содержащий автогенератор с катушкой индуктивности и детектор, управляющий выход которого соединен с входом элемента обратной связи, отличающийся тем, что он снабжен опорным генератором, детектор выполнен в виде фазоимпульсного детектора, а элемент обратной связи выполнен в виде фильтра низкой частоты, при этом выход автогенератора соединен с входом делителя частоты, выход которого соединен с первым входом фазоимпульсного детектора, информационный выход и второй вход которого соединены соответственно с выходом датчика и выходом опорного генератора, а выход фильтра низкой частоты подключен к управляющему входу автогенератора.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что опорный генератор выполнен в виде последовательно соединенных кварцевого генератора и делителя частоты.

3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что автогенератор выполнен в виде двух конденсаторов, резистора, катушки индуктивности, варикапа и инвертора, выход которого соединен с выходом автогенератора и первым выводом резистора, второй вывод которого через катушку индуктивности соединен с входом инвертора, при этом объединенные выводы резистора и катушки индуктивности соединены с первыми выводами конденсаторов, вторые выводы которых соединены соответственно с общей шиной и объединенными выводами варикапа и резистора, вторые выводы которых соединены с общей шиной и управляющим входом автогенератора соответственно.

4. Датчик по п.1, отличающийся тем, что фазоимпульсный детектор выполнен в виде трех счетных триггеров, сумматора и двух элементов И НЕ, при этом входами фазоимпульсного детектора служат счетные входы первого и второго триггеров, прямые выходы которых соединены с входами первого элемента И НЕ, выход которого соединен с входами обнуления первого и второго счетных триггеров, инверсные выходы которых соединены с входами второго элемента И - НЕ, выход которого соединен со счетным входом третьего триггера, выход которого соединен с информационным выходом фазоимпульсного детектора, а инверный выход первого триггера и прямой выход второго триггера соединены с входами сумматора, выход которого служит управляющим выходом фазоимпульсного детектора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к индуктивным датчикам, и может быть использовано для магнитных и линейно-угловых измерений, в дефектоскопии, для обнаружения и счета металлических частиц и тому подобное.

Первичным преобразователем индуктивного датчика является катушка индуктивности, полное сопротивление которой зависит от измеряемой величины. В зависимости от построения измерительной схемы датчика анализируется амплитуда, частота или фаза сигнала, снимаемого с первичного преобразователя.

Например, известен индуктивный датчик БВ-4100, содержащий генератор, выход которого соединен с первичной обмоткой трансформаторного преобразователя, вторичная обмотка которого соединена с первым входом фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом синхронизации генератора (Федотов А. В. Расчет и проектирование индуктивных измерительных устройств, 1979, М. Машиностроение, с. 146).

Однако этот датчик обладает недостаточной чувствительностью. Этот недостаток может быть частично устранен за счет использования ферромагнитного сердечника катушки индуктивности, однако при этом датчик нельзя использовать для контроля ферромагнитных частиц, выявления некоторых дефектов, что существенно сужает область его применения.

Известен также автогенераторный индуктивный датчик, в котором катушка индуктивности включена в колебательный контур последовательно с активным сопротивлением, по величине превышающим вносимое активное сопротивление (Авторское свидетельство СССР N 306428, кл. G 01 R 33/12, 1967).

Активное сопротивление включено в известном датчике с целью повышения избирательной чувствительности, однако чувствительность датчика к измеряемому параметру остается невысокой именно из-за наличия упомянутого резистора, увеличивающего потери в контуре.

Известен индуктивный датчик, содержащий автогенератор с катушкой индуктивности, выход которого соединен с входами амплитудного и частотного детекторов, причем выход амплитудного детектора является информационным выходом датчика, а выход частотного детектора подключен к входу элемента обратной связи в виде электропривода, на котором закреплена катушка индуктивности (Дорофеев А. Л. Электромагнитная дефектоскопия, 1980, М. Машиностроение, с. 129).

Этот датчик также недостаточно чувствителен, поскольку амплитуда выходного сигнала первичного преобразователя в меньшей степени, чем частота, зависит от параметров объекта контроля.

Вторым недостатком известного датчика является низкая точность, обусловленная, во-первых, тем, что на амплитуду выходного сигнала оказывают влияние помехи, нестабильность напряжения питания и тому подобное, а во-вторых, тем, что частота автогенератора нестабильна в отсутствие объекта контроля, а при его наличии, вместе с изменением этой частоты имеет место неконтролируемое изменение условий контроля за счет влияния частоты на глубину проникновения поля.

В основу изобретения положена задача, так выполнить измерительную цепь индуктивного датчика, чтобы он регистрировал изменения фазы сигнала, поступающего от генератора под влиянием металлических частиц.

Поставленная задача решается тем, что индуктивный датчик, содержащий автогенератор с катушкой индуктивности и детектор, управляющий выход которого соединен с входом элемента обратной связи, снабжен опорным генератором, детектор выполнен в виде фазоимпульсного детектора, а элемент обратной связи выполнен в виде фильтра низкой частоты, при этом выход автогенератора соединен с входом делителя частоты, выход которого соединен с первым входом фазоимпульсного детектора, информационный выход и второй вход которого соединены соответственно с выходом датчика и выходом опорного генератора, а выход фильтра низкой частоты подключен к управляющему входу автогенератора.

При этом опорный генератор может быть выполнен в виде последовательно соединенных кварцевого генератора и делителя частоты.

Кроме того автогенератор может быть выполнен в виде двух конденсаторов, варикапа и инвертора, выход которого соединен с выходом автогенератора и первым выводом резистора, второй выход которого через катушку индуктивности соединен с входом инвертора, при этом объединенные выводы резистора и катушки индуктивности соединены с первыми выводами конденсаторов, вторые выводы которых соединены соответственно с общей шиной и объединенными выводами варикапа и резистора, вторые выводы которых соединены с общей шиной и управляющим входом автогенератора соответственно.

Целесообразно также фазоимпульсный детектор выполнить в виде трех счетных триггеров, сумматора и двух элементов И-НЕ, при этом входами фазоимпульсного детектора служат счетные входы первого и второго триггеров, прямые выходы которых соединены с входами первого элемента И-НЕ, выход которого соединен с входами обнуления первого и второго счетных триггеров, инверсные выходы которых соединены с входами второго элемента И-НЕ, выход которого соединен со счетным входом третьего триггера, выход которого соединен с информационным выходом фазоимпульсного детектора, а инверсный выход первого триггера и прямой выход второго триггера соединены с входами сумматора, выход которого служит управляющим выходом фазоимпульсного детектора.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретного, но неограничивающего, примера осуществления изобретения и прилагаемыми чертежами, на которых фиг. 1 изображает функциональную схему индуктивного датчика; фиг. 2 и 3 варианты выполнения автогенератора и фазоимпульсного детектора соответственно и фиг. 4 блок-схему известного датчика.

Предлагаемый датчик содержит автогенератор 1 (фиг. 1), делитель 2 частоты, опорный генератор, образованный кварцевым генератором 3 и делителем 4 частоты, фазоимпульсный детектор 5 и фильтр 6 низкой частоты.

Автогенератор, изображенный на фиг. 2, содержит инвертор 7, резистор 8, варикапы 9-11, конденсаторы 12-15 и резистор 16.

Детектор 5 (фиг. 3) включает счетные триггеры 17-19, элементы И-НЕ 20, 21 и сумматор на диодах 22 и 23. Резисторы 24, 25 и конденсатор 26, включенные в схему сумматора, являются элементами фильтра 6. На входе триггера 19 также установлена интегрирующая P-C-цепь в виде резистора 27 и конденсатора 28.

Катушка индуктивности 29 включена в цепь обратной связи автогенератора 1 (фиг. 1).

Известный датчик (фиг. 4) содержит амплитудный 30 и частотный 31 детекторы, электропривод 32 и автогенератор 33.

В качестве фазоимпульсного детектора 5 может быть использован любой известный блок, обеспечивающий формирование импульсного сигнала фазовой автоподстройки частоты, скважность которого зависит от величины фазового сдвига между двумя близкими по частоте сигналами, например описанный в справочнике "Измерения в электронике" под редакцией В.А.Кузнецова, 1987, М. Энергия, с. 266.

Датчик работает следующим образом.

Полное сопротивление катушки 7 зависит от состояния контролируемого объекта, расстояния до него или его наличия в полости катушки. Выходные частоты генераторов 1 и 3 делятся и формируются делителями 2, 4. На практике коэффициент деления делителя 2 выше, чем делителя 4. На входы детектора 5 поступают близкие частоты в виде меандров.

Детектор 5 реагирует на разность частот и фаз входных сигналов. На его управляющем выходе появляются импульсы, скважность и частота которых зависят от разности частот и фазового сдвига между входными сигналами.

Фильтр 6 представляет собой интегратор, выделяющий постоянную составляющую импульсного сигнала. Выходной сигнал фильтра 6 воздействует на управляющий вход автогенератора 1, измеряя частоту его выходного сигнала. Этот процесс фазовой автоподстройки частоты продолжается до тех пор, пока сигналы на выходах делителей 2 и 4 не совпадут по частоте и фазе.

В результате, если до начала измерения сигнал на выходе детектора 5 был равен нулю вследствие равенства частот и наличия фиксированного фазового сдвига между сигналами на входах детектора 5, то при изменении частоты и фазы сигнала на выходе делителя 2 будет достигнуто новое установившееся состояние, при котором на выходах детектора 5 появится сигнал, пропорциональный измеряемой величине.

Генератор 3 и делитель 4 образуют импульсный генератор опорной частоты.

Предварительная настройка датчика может производиться путем изменения напряжения, подаваемого на общий вывод варикапов 9, 10 или варикапа 11 и конденсатора 15 (фиг. 2).

В простейшем случае в качестве информационного выхода детектора 5 может быть использован его управляющий выход. В случае же использования датчика для счета частиц лучше воспользоваться импульсным выходом триггера 19 (фиг. 3). В установившемся состоянии на его выходе присутствует логический ноль или логическая единица. При одновременном появлении сигналов на инверсных выходах триггеров 17 и 18 срабатывает элемент 21 и на выходе триггера 19 появляется последовательность импульсов, свидетельствующая, например о пролете частицы через катушку 7.

Как уже отмечалось, диоды 22, 23, резисторы 24, 25 и конденсатор 26 образуют сумматор; конденсатор 26 заряжается через диод 22 и разряжается через диод 23. В то же время эти элементы образуют фильтр 6 или его часть.

Высокая чувствительность и точность предлагаемого датчика подтверждены экспериментально и обусловлены целым рядом факторов:

на выходной сигнал оказывает влияние как частота, так и фаза автогенератора,

в процессе измерения частота тока в катушке индуктивности неизменна и стабилизирована с высокой точностью,

незначительное изменение частоты автогенератора приводит вследствие наличия фильтра в цепи обратной связи к появлению значительного выходного сигнала,

-импульсный характер детектирования позволяет зафиксировать малейшее отклонение частоты автогенератора.

Таким образом, предлагаемый датчик может быть с успехом использования для проведения высокочувствительных и прецизионных измерений. В то же время датчик прост и надежен в эксплуатации.