устройство для преобразования параметров датчиков индуктивного типа

Формула изобретения

Устройство для преобразования параметров датчиков индуктивного типа, включающее в себя блок формирования импульсов, усилители тока измерительного и опорного плеч устройства, выходы которых подключены к чувствительным элементам измерительного и опорного плеч устройства, компараторы измерительного и опорного плеч устройства, вторые входы которых соединены с общей шиной, интегратор, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены схема выделения серии импульсов и счетчик импульсов, первый выход блока формирования импульсов подключен к измерительному и опорному плечам устройства, в каждом из которых последовательно соединены усилитель тока, чувствительный элемент, включающий в себя LC-контур, и компаратор, выходы компараторов измерительного и опорного плеч устройства подключены к схеме «исключающее ИЛИ», выход схемы «исключающее ИЛИ» подключен к первому входу схемы выделения серии импульсов, второй вход которой соединен с выходом счетчика импульсов, выход схемы выделения серии импульсов соединен с входом счетчика импульсов и с входом интегратора, при этом вход обнуления счетчика импульсов подключен к первому выходу блока формирования импульсов, а вход обнуления интегратора подключен ко второму выходу блока формирования импульсов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах контроля технологических процессов, осуществляющих измерения механических и магнитных величин с помощью датчиков индуктивного типа.

Среди существующих устройств преобразования сигналов индуктивных датчиков имеются устройства, принцип действия которых основан на преобразовании параметров датчика в длительность переходного процесса (Шляндин В.М. Цифровые измерительные устройства. - М.: Высш. школа, 1981). Данные устройства отличаются высоким быстродействием по сравнению с аналогичными устройствами, использующими мостовые схемы или схемы на основе колебательного LC-контура, хотя и уступают последним по чувствительности и точности измерений.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранное в качестве прототипа устройство преобразования сигналов от датчиков индуктивного и резисторного типов (патент РФ №2168728, БИ №16, 2001 г.). Данное устройство содержит блок формирования импульсов, выход которого подключен через коммутаторы тока к входам усилителей тока измерительного и опорного плеч преобразователя. Выходы усилителей подключены к чувствительным элементам, включающим в себя параллельно соединенные катушку индуктивности, резистор и диод с большим временем восстановления обратного сопротивления, и через коммутаторы тока - к первым входам компараторов измерительного и опорного плеч, вторые входы которых соединены с общей шиной. Выходы компараторов подключены к входами схемы «исключающее ИЛИ», выход которой соединен с интегратором, осуществляющим преобразование «время-амплитуда». Кратковременный импульс тока возбуждает в измерительном и опорном плечах датчика переходные процессы, длительность которых зависит от параметров катушек индуктивности. С помощью компаратора и схемы «исключающее ИЛИ» выделяют импульс рассогласования, длительность которого с помощью интегратора преобразуют в напряжение и далее с помощью АЦП - в цифровой код.

Недостатком прототипа является то, что использование в измерительном и опорном плечах датчика параллельно соединенных катушки индуктивности, резистора и диода, позволяя обеспечить высокое быстродействие устройства, не дает возможности получить высокую чувствительность, присущую устройствам, использующим мостовые схемы или схемы на основе колебательного LC-контура.

Техническая задача изобретения состоит в повышении чувствительности преобразователя сигналов от индуктивных датчиков.

Поставленная задача решена заявляемым изобретением.

Заявляется устройство для преобразования сигналов от датчиков индуктивного типа, содержащее блок формирования импульсов, усилители тока измерительного и опорного плеч, выходы которых подключены к чувствительным элементам измерительного и опорного плеч датчика, компараторы измерительного и опорного плеч, вторые входы которых соединены с общей шиной, а выходы компараторов подключены к входам схемы «исключающее ИЛИ». Также устройство содержит интегратор, осуществляющий преобразование «время-амплитуда». В отличие от прототипа в устройство дополнительно введены схема выделения серии импульсов и счетчик импульсов. Первый выход блока формирования импульсов подключен к измерительному и опорному плечам устройства, в каждом из которых последовательно соединены усилитель тока, чувствительный элемент, включающий в себя LC-контур, в котором возбуждаются колебательные процессы с частотой, зависящей от параметров катушки индуктивности, и компаратор. Выходы компараторов измерительного и опорного плеч устройства подключены к схеме «исключающее ИЛИ». Колебательные процессы с помощью двух компараторов и схемы «исключающее ИЛИ» преобразуются в последовательность импульсов рассогласования, длительность которых зависит от индуктивности катушки измерительного плеча датчика. Выход схемы «исключающее ИЛИ» подключен к первому входу схемы выделения серии импульсов, второй вход которой соединен с выходом счетчика импульсов, выход схемы выделения серии импульсов соединен с входом счетчика импульсов и с входом интегратора, при этом вход обнуления счетчика импульсов подключен к первому выходу блока формирования импульсов, а вход обнуления интегратора подключен ко второму выходу блока формирования импульсов.

Схема выделения серии импульсов, управляемая счетчиком импульсов, выделяет определенное количество первых импульсов рассогласования, которые затем с помощью интегратора преобразуются в напряжение и далее в цифровой код.

Структурная схема устройства представлена на фигуре 1, на которой изображены: 1 - блок формирования импульсов; измерительное плечо заявляемого устройства содержит: 2 - усилитель тока, 3 - чувствительный элемент датчика на основе параллельно включенного L₁C₁ - контура, 4 - компаратор; элементы 5, 6, 7 - аналогичные схемные элементы опорного плеча устройства с известными параметрами L _oC_o - контура; 8 - схема «исключающее ИЛИ»; 9 - схема выделения серии импульсов; 10 - счетчик импульсов; 11 - интегратор. На фигуре 2 представлены временные диаграммы напряжений, которые поясняют работу преобразователя. Диаграммы напряжений получены в результате схемотехнического моделирования преобразователя в среде MicroCap 7.0.

Блок формирования импульсов 1 реализован на микроконтроллере. Первый вывод блока 1 подключен к входам усилителей тока 2 и 5 и к входу обнуления счетчика импульсов 10. Выходы усилителей тока подключены к чувствительным элементам 3 и 6, а также к первым входам сравнения компараторов 4 и 7, вторые входы которых соединены с общей шиной. Выходы компараторов подключены к входам схемы «исключающее ИЛИ» 8, выход которой подключен к первому входу схемы выделения серии импульсов 9, второй вход которой соединен с выходом счетчика импульсов 10, при этом вход счетчика импульсов соединен с выходом схемы выделения серии импульсов 9 и с входом интегратора 11, вход обнуления которого подключен ко второму выводу блока формирования импульсов.

Заявляемое изобретение как и прототип, использует одинаковый принцип действия, основанный на возбуждении кратковременным импульсом тока переходных процессов в измерительном и опорном плечах датчика, преобразовании длительности переходных процессов в импульс рассогласования с последующим преобразованием длительности импульса рассогласования в напряжение.

Электрический импульс U₁ с выхода блока формирования импульсов 1, пройдя через усилители тока 2 и 5, возбуждает в измерительном и опорном плечах датчика колебательные процессы U_{2 и} U _{2 оп}, частота которых зависит от параметров измерительной катушки датчика, изменяющихся под воздействием измеряемой физической величины. Компараторы преобразуют колебания в последовательность импульсов U₃ и U_{3 оп} в опорном плече. Схема «исключающее ИЛИ» 8 выделяет последовательность импульсов рассогласования U₄, длительность которых определяется отличием параметров измерительного и опорного плеч датчика. Счетчик импульсов 10 разрешает прохождение через схему выделения серии импульсов определенное количество импульсов рассогласования U₅. Количество импульсов рассогласования может быть равным 2, 4, 8 или 16. Импульсы поступают на вход интегратора 11, который осуществляет преобразование длительности импульсов рассогласования в напряжение U₆ . Преобразование в выходное напряжение серии импульсов рассогласования (2, 4, 8 или 16), а не одного импульса как в прототипе позволяет увеличить чувствительность датчика для преобразования сигналов от датчиков индуктивного типа. Напряжение U₆ поступает на вход АЦП микроконтроллера. По окончанию преобразования напряжения в цифровой код с выхода блока формирования импульсов поступает сигнал обнуления интегратора и процесс измерений, начинающийся с формирования импульса U₁, повторяется.

Устройство может быть реализовано на электронных компонентах общего применения и применяется для измерения механических, электрических и магнитных величин.