Индуктивный датчик расстояния

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Техническим результатом использования изобретения является повышение точности за счет снижения чувствительности к потерям в собственных цепях. Индуктивный датчик расстояния имеет источник питания и катушки. Источник питания предназначен для подачи на катушку периодического тока длительность проводимости которого меньше периода запитывания. Ответ на обнаруживаемую деталь измеряется на промежутке времени, когда ток в катушке практически равен нулю. 6 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к индуктивным датчикам расстояния, используемым для обнаружения присутствия металлического объекта.

Известны индуктивные датчики расстояния, использующиеся в резонансных схемах. Принцип работы датчика такого типа следующий. В отсутствие металлического объекта вблизи датчика, схема измерения, образованная осциллятором, работающим в резонансе, колеблется со своей максимальной амплитудой. Близость металлического объекта вызывает потери на токи Фуко, наведенные в этом объекте, и вследствие этого затухание резонансной амплитуды. Сравнение этой амплитуды с опорным значением позволяет обнаружить присутствие металлических объектов.

Недостатком датчика такого типа является чувствительность к собственным потерям резонансной цепи /омические потери в катушке цепи, потери на гистерезис в магнитной цепи катушки/. Действительно, эти потери зависят от температуры, что является причиной неточности в результатах обнаружения (патент Великобритании 2040054, опублик. 20.08.80).

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков путем предложения усовершенствованного индуктивного датчика расстояния.

Это достигается тем, что в индуктивном датчике расстояния, содержащем катушку, средства питания катушки, средства измерения и обработки сигналов, обеспечивающие выдачу ответного сигнала в присутствии обнаруживаемой детали, указанные средства питания обеспечивают подачу на катушку периодического тока с периодом Т, причем ток, подаваемый средствами питания на катушку циркулирует в ней в течение времени T₁, которое меньше, чем Т, и имеет практически нулевое значение в течение оставшегося промежутка времени (T T₁), причем указанные средства измерения и обработки сигналов предназначены для подачи так называемого ответного сигнала на присутствие обнаруживаемой детали в течение оставшейся длительности (T T₁) периода.

На фиг.1 показана принципиальная схема датчика согласно изобретению; на фиг. 2 временная диаграмма напряжений и токов, относящихся к схеме по фиг.1; на фиг. 3 напряжение, наведенное на клеммах катушки по фиг.1; на фиг.4 - пример выполнения датчика согласно изобретению; на фиг.5 временная диаграмма напряжений и токов, относящихся к схеме по фиг.4; на фиг.6 пример выполнения примера по фиг. 4; на фиг.7 второй пример выполнения примера по фиг.4; на фиг.8 временная диаграмму сигналов S₄, S₅ и SI₁ примера выполнения по фиг.7; на фиг.9 пример выполнения средства фильтрации /6/ по фиг.7.

На фиг. 1 принципиальная схема датчика согласно изобретению. Одна из клемм катушки 2 датчика связана с массой питания, а другая с постоянным напряжением U через прерыватель I₁, управляемый сигналом SI₁.

На фиг.2 показана временная диаграмма напряжений и токов, относящихся к схеме по фиг. 1. Сигнал управления ST₁ позволяет закрыть прерыватель I₁, когда он находится под высоким потенциалом /H/, и открыть I₁, когда он находится при низком потенциале /B/. Таким образом, прерыватель I₁ управляется периодически с периодом Т, он закрыт в течение времени T₁ и открыт в течение времени T T₁. Ток i, пересекая катушку 2, устанавливается вследствие этого в соответствии с фиг.2b. Фиг.2с дает напряжение на клеммах катушки 2.

Увеличение этого напряжения в периоде, когда ток равен нулю в катушке, позволяет констатировать, что амплитуда этого напряжения сильно меняется, когда металлическая деталь находится вблизи датчика, это увеличение показано на фиг.3.

Это явление объясняется тем, что изменение тока в катушке в течение времени T₁ приводит к возникновению токов, наведенных в металлической детали. После принудительного выключения тока в катушке открытием прерывателя I₁, наведенные в металлической детали токи продолжают циркулировать создавая напряжение на клеммах катушки. Преимущество этого метода обнаружения состоит в слабой зависимости измеряемого сигнала от температуры. Действительно, напряжение, наведенное в катушке, не зависит от сопротивления последней, а лишь от силы тока, наведенного в металлической детали.

На фиг.4 показан пример выполнения датчика согласно изобретению.

В этом примере выполнения катушка 2 подключена параллельно сопротивлению 4, величина которого приблизительно в 50 раз больше сопротивления катушки. Роль этого сопротивления состоит в подавлении колебаний, обусловленных коммутацией. Вследствие своей большой величины, это сопротивление не оказывает влияния на измерение наведенного напряжения. Прерыватели I₂ и I₃, управляемые своими сигналами управления SI₂ и SI₃, позволяют измерять напряжение, наведенное только в течение Т₂, когда ток i в катушке практически равен нулю. Наведенное напряжение, обработанное таким образом, подается на усилитель 5. Выходное напряжение усилителя 5 сравнивается с опорным значением, обеспечивая обнаружение присутствия металлической детали.

В примере выполнения, показанном на фиг.6, катушка датчика имеет промежуточный выход М, который делит ее на две части 2а и 2b. Сопротивления 4а и 4b играют ту же роль гасителя, что и сопротивление 4 на фиг.4.

Сигналы управления SI₁, SI₂, SI₃ идентичны сигналам, данным на фиг.5.

В течение времени T₁ ток циркулирует в участке 2а катушки. Прохождение I₁ приводит к возникновению наведенных напряжений в участках катушки 2а и 2в. С учетом направления намотки, эти наведенные напряжения находятся в противофазе. Участок 2b, более удаленный от металлической детали, чем 2а, подает меньшее наведенное напряжение, и, вследствие этого, результирующее наведенное напряжение U₁ отлично от нуля.

В присутствии возмущающего магнитного поля, частичные напряжения, наведенные в участках 2а и 2b, равны с точностью до знака, подавая, таким образом, результирующее наведенное напряжение U₁, практически равное нулю. Этот пример выполнения делает датчик нечувствительным к внешним возмущениям.

На фиг. 7 показан пример выполнения примера по фиг.4. Сигнал управления SI₁ получается сложением сигналов S₄ и S₅. Сигнал S₄ периода T₄ подается на синхронизирующий вход СК первого триггера D₁, выход Q триггера D₁ связан с синхронизирующим входом СК второго триггера D₂, выход S₅ второго триггера D₂ имеет период Т, который в четыре раза больше, чем T₄. Сложение сигналов S₄ и S₅ схемой И выдает сигнал управления SI₁ датчика.

На фиг.8 показана временная диаграмма сигналов S₄, S₅ и SI₁. Сигнал управления SI₁ этого примера выполнения позволяет создать длительность паузы Р и длительность работы S. Длительность паузы обеспечивает двойное преимущество: с одной стороны, она позволяет снизить средний расход датчика, а с другой, оценить постоянную компоненту, вносимую усилителем 5. Для устранения постоянной компоненты, вносимой усилителем 5, выход A₁ этого усилителя связан со средством фильтрации 6. Это средство фильтрации может быть просто выполнено с помощью одного конденсатора и одного сопротивления, как это показано на фиг.9.

Формула изобретения

1. Индуктивный датчик расстояния, содержащий катушку индуктивности, управляемый источник питания и блок измерения и обработки сигналов, выполненный в виде двух усилителей, отличающийся тем, что в него введены включенный параллельно катушке резистор и включенный между двумя усилителями фильтр, а управляемый источник питания выполнен в виде двух D-триггеров, элемента И и трех прерывателей, управляющий контакт первого из которых подключен к выходу элемента И, выходной контакт и входной контакт второго прерывателя подключены к одному выводу катушки, второй вывод которой и входной контакт третьего прерывателя соединены с общей шиной устройства, а выходные контакты второго и третьего прерывателей подключены к входу первого усилителя, при этом синхронизирующий вход первого D-триггера соединен с вторым входом указанного элемента И, первый вход которого подключен к выходу второго D-триггера, синхронизирующий вход которого соединен с выходом первого D-триггера.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что источник питания способен возбуждать периодический ток с периодом Т, причем указанный ток циркулирует в катушке в течение длительности Т1, меньшей Т, и практически равен 0 в течение оставшейся части (Т Т1) периода, при этом указанный блок измерения способен подавать сигнал о присутствии обнаруживаемой металлической детали в течение оставшейся длительности (Т Т1) периода.

3. Индуктивный датчик расстояния по п.1, отличающийся тем, что второй прерыватель позволяет передавать напряжение на выводах катушки к первому усилителю в течение периода Т2 с длительностью меньшей или равной длительности (Т Т1).

4. Индуктивный датчик расстояния по п.1, отличающийся тем, что первый прерыватель препятствует прохождению тока в катушку в течение оставшейся длительности (Т Т1) периода.

5. Индуктивный датчик расстояния по одному из пп.1 3, отличающийся тем, что величина сопротивления, подключенного параллельно катушке, значительно превышает сопротивление катушки.

6. Датчик по одному из пп. 1 5, отличающийся тем, что катушка состоит из двух частей, обмотки которых имеют противоположное направление и соединяются с промежуточным выходом таким образом, чтобы индуцированное напряжение на внешних выводах катушки было равно сумме частичных индуцированных напряжений обеих частей в противофазе.

7. Датчик по одному из пп. 1 6, отличающийся тем, что сигнал управления первого прерывателя, управляющего питанием катушки с периодом Т, получают перемножением периодического сигнала Т4 и периодического сигнала с периодом Т, причем период Т больше, чем период Т4, при этом средство фильтрации располагают на выходе первого усилителя индуцированного напряжения для устранения постоянной составляющей указанного усилителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9