устройство идентификации и контроля положения изделий

Формула изобретения

Устройство идентификации и контроля положения изделий, содержащее индуктивный чувствительный элемент, включающий катушку индуктивности, размещенную в кольцевом пазу открытой чашки ферритового сердечника, генератор электрических колебаний, к цепям колебательного контура которого подключен индуктивный чувствительный элемент, пороговый элемент, вход которого подключен к выходу генератора электрических колебаний, логический элемент 2ИЛИ-НЕ, выход которого является вторым выходом устройства, формирователь, выход которого соединен со вторым входом логического элемента 2ИЛИ-НЕ, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции и расширения функциональных возможностей, в него введены мультивибратор с емкостным чувствительным элементом в виде токопроводящей пластины, подключенным к его входу, детектор, вход которого подключен к выходу мультивибратора, а выход соединен со входом формирователя, при этом индуктивный чувствительный элемент снабжен второй катушкой индуктивности, размещенной в кольцевом пазу открытой чашки второго ферритового сердечника и включенной последовательно и согласно с первой катушкой индуктивности, а выход порогового элемента подключен к первому входу логического элемента 2ИЛИ-НЕ и является первым выходом устройства, причем емкостный чувствительный элемент и катушки индуктивности индуктивного чувствительного элемента, между которыми размещен емкостный чувствительный элемент, установлены вдоль прямой линии и образуют чувствительный элемент устройства, а одна из плоскостей емкостного чувствительного элемента и плоскости открытых торцов чашек ферритовых сердечников катушек индуктивности установлены в одной плоскости, направлены в одну сторону и образуют чувствительную поверхность устройства.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и предназначено для использования в машиностроении для идентификации (распознавания) металлических и неметаллических изделий, а также в качестве датчика положения металлических и неметаллических изделий.

Известно устройство идентификации изделий, содержащее индуктивный чувствительный элемент, включающий катушку индуктивности, размещенную в кольцевом пазу открытой чашки ферритового сердечника, высокочастотный генератор электрических колебаний, в цепь колебательного контура которого включен индуктивный чувствительный элемент, пороговый элемент, вход которого подключен к выходу высокочастотного генератора электрических колебаний, формирователь, логический элемент 2ИЛИ-НЕ, выход которого является одним из выходов устройства (см. авторское свидетельство СССР №1610268, МКИ ⁵ G01B 21/00 "Индуктивно-оптический датчик положения и контроля, 1990). Такое устройство не позволяет производить идентификацию металлических и неметаллических изделий.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является устройство, содержащее индуктивный чувствительный элемент, включающий катушку индуктивности, размещенную в кольцевом пазу открытой чашки ферритового сердечника, высокочастотный генератор электрических колебаний, в цепь колебательного контура которого включен индуктивный чувствительный элемент, пороговый элемент, вход которого подключен к выходу высокочастотного генератора электрических колебаний, первую выходную клемму, являющуюся первым выходом устройства, вторую выходную клемму, являющуюся вторым выходом устройства, логический элемент 2ИЛИ-НЕ, выход которого соединен со второй выходной клеммой, а первый вход его соединен с первой выходной клеммой, формирователь, выход которого подключен ко второму входу логического элемента 2ИЛИ-НЕ (см. авторское свидетельство СССР №1185419, МКИ⁴ H01H 36/00 "Датчик положения и контроля", 1985).

Однако такое устройство не обеспечивает распознавания прозрачных для светового потока излучателя неметаллических изделий, так как при пересечении ими светового потока затемнения фотоприемника не происходит из-за того, что световой поток сквозь контролируемые изделия вследствие сравнительно высокого коэффициента пропускания проходит на фотоприемник и продолжает поддерживать его в засвеченном состоянии. Т.е. в этом случае не обеспечивается режим идентификации (распознавания) металлических и неметаллических изделий. Кроме того, такое устройство из-за наличия таких оптических узлов, как излучатель и фотоприемник, имеет относительно высокую стоимость. Оно отличается относительной сложностью конструкции и обладает ограниченными функциональными возможностями, так как выполнено из двух функциональных узлов, что, в свою очередь, приводит к невозможности применения его в условиях эксплуатации на объектах, имеющих зоны контроля с ограниченным монтажным пространством.

Цель изобретения - упрощение конструкции и расширение функциональных возможностей устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее индуктивный чувствительный элемент, включающий катушку индуктивности, размещенную в кольцевом пазу открытой чашки ферритового сердечника, высокочастотный генератор электрических колебаний, к цепям колебательного контура которого подключен индуктивный чувствительный элемент, пороговый элемент, вход которого соединен с выходом высокочастотного генератора электрических колебаний, логический элемент 2ИЛИ-НЕ, выход которого является вторым выходом устройства, формирователь, выход которого соединен со вторым входом логического элемента 2ИЛИ-НЕ, введены мультивибратор с емкостным чувствительным элементом в виде токопроводящей пластины, подключенным к его входу, детектор, вход которого подключен к выходу мультивибратора, а выход соединен со входом формирователя, при этом индуктивный чувствительный элемент снабжен второй катушкой индуктивности, размещенной в кольцевом пазу второго ферритового сердечника и включенной последовательно и согласно с первой катушкой индуктивности, а выход порогового элемента соединен с первым входом логического элемента 2ИЛИ-НЕ и является первым выходом устройства, причем емкостный чувствительный элемент, установленный между катушками индуктивности, и катушки индуктивности индуктивного чувствительного элемента установлены вдоль прямой линии и образуют чувствительный элемент устройства, а одна из плоскостей емкостного чувствительного элемента и плоскости открытых торцов чашек ферритовых сердечников катушек индуктивности установлены в одной плоскости, направлены в одну сторону и образуют чувствительную поверхность устройства.

На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройства, 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 устройства при срабатывании его от металлических изделий в режиме идентификации металлических и неметаллических изделий, на фиг.4 - диаграммы напряжений, поясняющие работу схемы устройства при срабатывании его от неметаллических изделий в режиме идентификации металлических и неметаллических изделий.

Устройство содержит (см. фиг.1) индуктивный чувствительный элемент 1, выполненный в виде двух соединенных между собой последовательно и согласно катушек индуктивности 2 и 3, каждая из которых при этом размещена в кольцевом пазу открытой чашки ферритовых сердечников 4 и 5 соответственно, выполненный, например, по схеме индуктивной трехточки высокочастотный генератор электрических колебаний 6, в котором выходы индуктивного чувствительного элемента 1 подключены к цепям его колебательного контура, пороговый элемент 7, выполненный, например, по схеме триггера Шмитта, вход которого подключен к выходу высокочастотного генератора электрических колебаний 6, первую выходную клемму 8, подключенную к выходу порогового элемента 7, мультивибратор 10 с емкостным чувствительным элементом в виде токопроводящей пластины 9, выполненный по схеме симметричного автогенератора прямоугольных импульсов на базе операционного усилителя (см. книгу Шило В.Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Сов. радио, 1974, с.175, рис.4.42, а), детектор 11, выполненный, например, по схеме диодного пассивного преобразователя амплитудных значений переменного напряжения в постоянное с последовательным включением выпрямительного диода с выходной нагрузкой в виде параллельной RC-цепочки (см. книгу Волгин Л.И. Измерительные преобразователи переменного напряжение в постоянное. М.: Сов. радио, 1977, с.174, рис.4.9, б), формирователь 12, выполненный, например, по схеме триггера Шмитта, а также логический элемент 2ИЛИ-НЕ 13, первый вход которого подключен к выходу порогового элемента 7, а второй вход - к выходу формирователя 12, вторую выходную клемму 14, подключенную к выходу логического элемента 2ИЛИ-НЕ 13 и являющуюся вторым выходом устройства.

Емкостный чувствительный элемент 9 подключен в цепи отрицательной обратной связи к инвертирующему входу операционного усилителя мультивибратора 10, является одной из обкладок частотозадающего "раскрытого конденсатора", второй обкладкой которого являются электрические цепи общей "земли" мультивибратора 10 и устройства в целом, и служит емкостным чувствительным элементом мультивибратора 10 (см. журнал "Радио", №10, 2002, с.38, рис.1; с.39, рис.3). Между катушками индуктивности 2, 3 индуктивного чувствительного элемента 1 установлен емкостный чувствительный элемент 9. Катушки индуктивности 2, 3 и емкостный чувствительный элемент 9 установлены вдоль прямой линии и образуют чувствительный элемент устройства. При этом одна из плоскостей емкостного чувствительного элемента и плоскости открытых торцов чашек ферритовых сердечников катушек индуктивности установлены в одной плоскости, направлены в одну сторону и образуют чувствительную поверхность устройства (см. фиг.2). Такое взаимное расположение в пространстве емкостного чувствительного элемента 9, индуктивного чувствительного элемента 1 и контролируемого изделия 15 (см. фиг.1) при прохождении им в направлении стрелки 16 (17) относительно чувствительного элемента устройства параллельно его чувствительной поверхности в пределах действия электромагнитного поля 18 и 20 у открытых торцов чашек ферритовых сердечников 4 и 5 соответственно и электрического поля 19 емкостного чувствительного элемента 9 и всегда обеспечивает последовательное взаимодействие контролируемого изделия 15 с электромагнитным полем 18 (20), электрическим полем 19 емкостного чувствительного элемента, электромагнитным полем 20 (18). Это, в свою очередь, позволяет:

1) при взаимодействии металлического контролируемого изделия 15 и индуктивного чувствительного элемента 1 сформировать на выходе порогового элемента 7 прямоугольный импульс напряжения с уровнем логической "1" длительностью, равной длительности нахождения контролируемого металлического изделия в электромагнитных полях 18, 20 индуктивного чувствительного элемента;

2) при взаимодействии контролируемого неметаллического изделия 15 с электрическим полем 19 емкостного чувствительного элемента 9 сформировать на выходе формирователя 12 прямоугольный импульс напряжения с уровнем логического "0" длительностью, равной длительности нахождения контролируемого неметаллического изделия в электрическом поле 19 емкостного чувствительного элемента 9;

3) получить на выходе порогового элемента 7 импульс длительностью всегда большей, чем длительность импульса на выходе формирователя 12;

4) обеспечить расстановку на временной оси сформированных импульсов таким образом, чтобы выходной импульс порогового элемента 7 большей длительности всегда охватывал выходной импульс формирователя 12 меньшей длительности.

Таким образом, такое взаимное расположение емкостного чувствительного элемента 9, индуктивного чувствительного элемента 1 и взаимодействие их в описанной выше последовательности с контролируемым изделием 15, а также соответствующая обработка предложенной схемой устройства выходных сигналов генератора 6 и мультивибратора 10 позволяют реализовать принцип действия устройства в режиме идентификации металлических и неметаллических (непрозрачных и прозрачных) изделий, т.е. производить идентификацию (распознавание) металлических и неметаллических (непрозрачных и прозрачных) изделий и выполнить предлагаемое устройство в виде одного функционального узла.

Устройство работает следующим образом.

При подаче напряжения питания и нахождении контролируемого изделия 15 вне зоны чувствительной поверхности устройства (см. фиг.2) генератор 6 переходит в режим генерации электрических высокочастотных колебаний, постоянная составляющая тока которых на его выходе создает падение напряжения, превышающее пороговое значение напряжения триггера порогового элемента 7. При этом пороговый элемент 7 переключится в такое устойчивое состояние, при котором на его выходе устанавливается напряжение U1 (см. фиг.3) с уровнем логического "0", которое подается на первый вход логического элемента 2ИЛИ-НЕ 13 и на выходную клемму 8. Мультивибратор находится в заторможенном состоянии, при котором на его выходе и выходе детектора 11 устанавливается напряжение с уровнем логического "0". После чего формирователь 12 переключается в такое устойчивое состояние, при котором на его выходе и втором входе логического элемента 2ИЛИ-НЕ 13 устанавливается напряжение U2 с уровнем логической "1". Выходное напряжение формирователя 12 с уровнем логической "1" инвертируется логическим элементом 2ИЛИ-НЕ 13 и проходит на его выход и вторую выходную клемму 14 с уровнем логического "0", так как на первом входе логического элемента 2ИЛИ-НЕ 13 установлено разрешающее напряжение U1 с уровнем логического "0".

Таким образом, после подачи напряжения питания устройство устанавливается в исходное состояние, при котором контролируемое изделие 15 находится за пределами зоны чувствительной поверхности устройства, а на выходных клеммах 8 и 14 устанавливаются соответственно напряжения U3 и U4 с уровнями логического "0".

Рассмотрим работу предлагаемого устройства в режиме идентификации металлических и неметаллических (непрозрачных и прозрачных) изделий, при котором контролируемое изделие 15 (см. фиг.2) перемещается параллельно чувствительной поверхности устройства в пределах зон действия электромагнитных полей 18, 20 индуктивного чувствительного элемента 1 и электрического поля 19 емкостного чувствительного элемента 9 в одном из направлений по стрелке 16 или 17.

При введении в направлении стрелки 16 (17) в зону чувствительной поверхности устройства, например, металлического изделия 15 оно входит в зону действия электромагнитного поля 18 (20) у открытого конца торца чашки ферритового сердечника 4 (5). При этом происходит срыв генерации электрических колебаний генератора 6 вследствие внесения затухания контролируемым изделием 15 в его колебательный контур. В результате резко уменьшается составляющая постоянного напряжения на выходе генератора 6, и, когда его значение оказывается ниже порогового значения триггера порогового элемента 7, последний переключается в другое состояние, при котором на его выходе и первом входе логического элемента 2ИЛИ-НЕ 13 устанавливается напряжение U1, а на первой выходной клемме 8 - напряжение U3 с уровнями логической "1". Так как на первом и втором входах логического элемента 2ИЛИ-НЕ 13 устанавливаются соответственно напряжения U1 и U2 с уровнями логической "1", напряжение U4 на его выходе и второй выходной клемме 14 продолжает оставаться на прежнем нулевом логическом уровне.

Затем через некоторый промежуток времени перемещающееся контролируемое изделие 15, по-прежнему оставаясь в зоне действия электромагнитного поля 18 (20), входит в зону действия электрического поля 19 емкостного чувствительного элемента 9 и образует с ним электрический конденсатор. Значение электрической емкости образованного таким образом конденсатора увеличивается до такого уровня, при котором происходит возбуждение мультивибратора 10 и переход его в режим генерации электрических колебаний. Выходные импульсы мультивибратора преобразуются детектором 11 в постоянное напряжение с уровнем логической "1", которое превышает пороговый уровень напряжения триггера формирователя 12. При этом формирователь 12 переключается в другое устойчивое состояние, при котором на его выходе устанавливается напряжение U2 с уровнем логического "0", которое подается на второй вход логического элемента 2ИЛИ-НЕ 13. Инвертирования этого нулевого уровня напряжения U2 логическим элементом 2ИЛИ-НЕ не происходит, и напряжение U4 на второй выходной клемме 14 остается на прежнем нулевом логическом уровне, так как на первом входе логического элемента 2ИЛИ-НЕ 13 подано с выхода порогового элемента 7 запрещающее напряжение U1 с уровнем логической "1".

Далее перемещающееся контролируемое изделие 15, по-прежнему оставаясь в зоне действия электромагнитного поля 18 (20) и электрического поля 19, входит в зону действия электромагнитного поля 20 (18). После чего уровни напряжений на выходе порогового элемента 7, первом входе логического элемента 2ИЛИ-НЕ 13, на первой и второй выходных клеммах 8 и 14 соответственно, а также на выходе формирователя 12, установившиеся до момента вхождения контролируемого изделия 15 в зону действия электромагнитного поля 20 (18), не изменились, так как после вхождения его в зону действия электромагнитного поля 20 (18) генератор 6 продолжает находиться в состоянии срыва генерации электрических колебаний.

При дальнейшем перемещении в том же направлении контролируемое изделие, оставаясь в зоне действия электрического поля 19 и электромагнитного поля 20 (18), выходит из зоны действия электромагнитного поля 18 (20). После чего генератор 6 по-прежнему продолжает оставаться в состоянии срыва генерации электрических колебаний и уровни напряжений на выходе порогового элемента 7, первом входе логического элемента 2ИЛИ-НЕ, первой и второй выходных клеммах, а также на выходе формирователя 12, установившиеся до момента выхода контролируемого изделия из зоны действия электромагнитного поля 18 (20), также не изменились.

Затем контролируемое изделие, оставаясь в зоне действия электромагнитного поля 20 (18), выходит из зоны действия электрического поля 19. После чего мультивибратор 10 снова переходит из режима генерации электрических колебаний в заторможенное состояние, т.е. в исходное состояние, при котором на его выходе, входе и выходе детектора 11 устанавливаются напряжения с уровнями логического "0". При этом на выходе формирователя устанавливается напряжение U2 с уровнем логической "1", которое подается на второй вход логического элемента 2ИЛИ-НЕ. Так как на первом и втором входах логического элемента 2ИЛИ-НЕ 13 установлены соответственно напряжения U1 и U2 с уровнями логической "1", напряжение U4 на его выходе и второй выходной клемме 14 продолжает оставаться на прежнем нулевом логическом уровне.

И на последнем отрезке времени своего перемещения контролируемое изделие 15 выходит за пределы действия электромагнитного поля 20 (18). После чего генератор 6 снова переходит в режим генерации электрических колебаний, т.е. в исходное состояние. В результате пороговый элемент также переключается в исходное состояние, при котором на его выходе и первом входе логического элемента 2ИЛИ-НЕ устанавливается напряжение U1, а на первой выходной клемме 8 - напряжение U3 с уровнями логического "0".

Следовательно, при прохождении контролируемого металлического изделия 15 относительно чувствительной поверхности устройства на первой выходной клемме 8 формируется импульс напряжения U3 с уровнем логической "1", а на выходе формирователя 12 - импульс напряжения U2 с уровнем логического "0", который логическим элементом 2ИЛИ-НЕ 13 не инвертируется и на вторую выходную клемму 14 через него не проходит, так как поданный к этому моменту с выхода порогового элемента 7 на первый вход логического элемента 2ИЛИ-НЕ импульс напряжения U1 с уровнем логической "1" запрещает его инвертирование и прохождение.

В случае введения контролируемого неметаллического изделия (непрозрачного или прозрачного) 15 в направлении стрелки 16 (17) в зону чувствительной поверхности устройства при взаимодействии его с электромагнитным полем 18 (20) и 20 (18) существенного затухания в колебательный контур генератора 6 оно не вносит. При этом изменения режима генератора 6 относительно его исходного состояния и срабатывания порогового элемента 7 не происходит, в результате чего на первой выходной клемме 8 формирования импульса напряжения U3 с уровнем логической "1" не происходит. В этом случае формируется только импульс напряжения U2 с уровнем логического "0" на выходе формирователя 12, который инвертируется логическим элементом 2ИЛИ-НЕ 13 в импульс напряжения U4 с уровнем логической "1" и проходит на вторую выходную клемму 14, так как в этот момент на первый вход логического элемента 2ИЛИ-НЕ 13 с выхода порогового элемента 7 поступает разрешающий нулевой логический уровень напряжения.

Таким образом, в рассмотренном режиме работы устройства сигнал на его первой выходной клемме 8 однозначно соответствует прохождению относительно чувствительной поверхности устройства металлического изделия, а сигнал на второй выходной клемме 14 - неметаллического изделия, чем и обеспечивается идентификация (распознавание) металлических и неметаллических (непрозрачных и прозрачных) изделий при выполнении устройства в виде одного функционального узла.

При помещении контролируемого металлического или неметаллического (непрозрачного или прозрачного) изделия в зону действия чувствительной поверхности устройства на его соответствующей выходной клемме устанавливается потенциал с уровнем логической "1", соответствующий информационному сигналу о положении контролируемого изделия.

Причем этот сигнал не исчезает как, например, в случае импульсного принципа формирования информационного сигнала о контролируемом изделии по перепадам напряжения (по переднему или по заднему фронту), а продолжает непрерывно отслеживать потенциальным уровнем контролируемое изделие как при перемещении его в пределах чувствительной поверхности устройства, так и при нахождении контролируемого изделия в ней в неподвижном состоянии в течение неопределенного промежутка времени. Т.е. при этом имеет место однозначное соответствие информационного сигнала на соответствующей выходной клемме устройства положению контролируемого изделия в определенной точке пространства, где установлено предлагаемое устройство. Это, в свою очередь, обеспечивает работу предлагаемого устройства в режиме контроля положения металлических и неметаллических (непрозрачных и прозрачных) изделий.

В режиме контроля положения металлических изделий устройство функционирует как бесконтактный индуктивный датчик положения автогенераторного типа. Работа устройства в этом случае описывается диаграммами, приведенными на фиг.3. При этом информационный сигнал снимается с выходной клеммы 8, а выходная клемма 14 не задействуется.

В режиме контроля положения неметаллических (непрозрачных и прозрачных) изделий устройство функционирует как бесконтактный датчик положения емкостного типа. Работа устройства в этом режиме описывается диаграммами, приведенными на фиг.4. В этом случае информационный сигнал снимается с выходной клеммы 14, а выходная клемма 8 не задействуется.