Металлообнаружитель

 

Использование: для обнаружения мелких металлических тел и частиц в продуктах, материалах и изделиях с низкой электрической проводимостью, в частности, в продукции пищевой и фармацевтической промышленности. Сущность изобретения: повышение устойчивости и чувствительности металлообнаружителя за счет использования временной селекции двух последовательных импульсов, получаемых при прохождении продукции с металлической частицей через зону чувствительности первичного вихретокового преобразователя, состоящего из двух последовательно включенных полуобмоток, разнесенных на определенное расстояние друг от друга. 1 ил.

Изобретение относится к устройствам контроля и может быть использовано для обнаружения мелких металлических тел и частиц в продуктах, материалах и изделиях с низкой электрической проводимостью, в частности, в продукции пищевой и фармацевтической промышленности.

Известны металлоискатели [1-3] содержащие датчик в виде катушки индуктивности, подключенной к колебательному контуру автогенератора гармонических колебаний, и схему индикации девиации частоты генерируемых колебаний, возникающей при прохождении металлического тела через зону чувствительности датчика.

Общим недостатком указанных металлоискателей является недостаточная стабильность частоты автогенератора и основных узлов схемы индикации девиации частоты, в результате чего происходит дрейф разностной частоты или уровня сигналов, вызываемый изменениями температурных режимов, старением элементов, изменениями напряжений питания и другими причинами. Это требует частой подстройки схемы с целью компенсации дрейфа, что затрудняет работу устройства в автоматическом режиме (при контроле массовой продукции путем установки датчика на конвейере), ограничивает предельно допустимую чувствительность устройства.

От этого недостатка свободно устройство [4] являющееся наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению. Оно содержит датчик в виде катушки индуктивности, включенный в колебательный контур автогенератора гармонических колебаний, работающего в режиме, близком к критическому, который поддерживается с помощью отрицательной обратной связи по амплитуде генерируемых колебаний, в контур которых включен фильтр, в результате чего отрицательная обратная связь действует лишь при медленных изменениях амплитуды колебаний, а на быстрые изменения, вызываемые прохождением металлического предмета через зону чувствительности датчика, не реагирует. Выходной сигнал автогенератора поступает через буферный усилитель на детектор, а далее выпрямленный сигнал через два параллельно включенных фильтра с разными постоянными времени поступает на два входа компаратора, выполненного на операционном усилителе. Выход компаратора подключен к сигнализатору и исполнительному устройству. При медленных изменениях амплитуды выходного сигнала автогенератора, вызываемых дрейфом различных элементов, на выходе компаратора будет сохраняться нулевой уровень сигнала вследствие высокой идентичности дифференциальных каналов операционного усилителя. При быстрых же изменениях, вызываемых прохождением металлического предмета через зону чувствительности датчика, благодаря различным постоянным времени фильтров, подключенных к дифференциальным входам операционного усилителя, на его выходе появится импульс, который используется для срабатывания исполнительного устройства и сигнализатора. Это устройство нечувствительно к медленным изменениям сигнала, вызываемым любыми причинами, что позволяет обеспечить высокую чувствительность к быстрым изменениям.

Основным недостатком этого металлообнаружителя является высокая вероятность ложных срабатываний, вызываемых вибрацией и механическими ударами, испытываемыми конструкцией датчика и других элементов автогенератора при их установке на конвейере или действующих технологических агрегатах (за счет соответствующих колебаний распределенных емкостей), а также резкими колебаниями напряжения питания и помехами, проходящими по сети. Это затрудняет использование устройства в цеховых условиях.

Технической задачей изобретения является устранение ложных срабатываний, вызываемых быстрыми изменениями амплитуды сигнала автогенератора, которые могут вызываться механической вибрацией элементов конструкции датчика и автогенератора, резкими изменениями напряжения питания и помехами, проходящими по сети, и выделение полезных сигналов, возникающих при прохождении через зону чувствительности датчика металлических предметов или частиц с заданной скоростью.

Решение указанных задач достигается тем, что в металлообнаружитель, содержащий датчик в виде катушки индуктивности, включенной в колебательный контур автогенератора, работающего в режиме, близком к критическому и имеющего отрицательную обратную связь по амплитуде генерируемых колебаний, выполняющую функцию АРУ, в контур которой включен интегрирующий фильтр; детектор, вход которого через буферный усилитель подключен к выходу автогенератора, а выход через интегрирующие фильтры с различными постоянными времени подключен к обоим входам дифференциального усилителя, исполнительное и сигнальное устройства, дополнительно включены амплитудный дискриминатор и нормализатор импульсов, схема задержки и схема совпадений, причем вход амплитудного дискриминатора и нормализатора импульсов подключен к выходу дифференциального усилителя, а выход к первому входу схемы совпадений и к регулируемой схеме задержки, выход которой подключен ко второму входу схемы совпадений, а датчик выполнен в виде встречно включенных секций, разнесенных на определенное расстояние друг от друга.

Существенными отличительными признаками предлагаемого устройства являются: выполнение датчика в виде двух встречно включенных секций, разнесенных на определенное расстояние друг от друга и введение блока амплитудного дискриминатора и нормализатора импульсов, регулируемой схемы задержки и схемы совпадений, причем вход амплитудного дискриминатора и нормализатора импульсов соединен с выходом дифференциального усилителя, а выход с первым входом схемы совпадений и входом регулируемой схемы задержки, выход которой подключен ко второму входу схемы совпадений, а выход схемы совпадений к схеме формирования выходных сигналов, поступающих на исполнительное устройство и устройство сигнализации.

Данные отличительные признаки являются новыми, поскольку отсутствуют у прототипа и аналогов, и существенными, поскольку позволяют из всех возможных быстрых изменений сигнала, вызываемых различными факторами, выделить лишь полезные изменения, возникающие за счет последовательного прохождения с определенной скоростью через зоны чувствительности секций датчика металлического предмета, содержащегося в контролируемой продукции, что резко сокращает вероятность ложных срабатываний устройства и дает возможность существенно повысить чувствительность за счет увеличения коэффициента усиления дифференциального усилителя.

Эффективность используемого метода селекции полезных сигналов подтверждается следующими выкладками. Любые флуктуации сигнала, амплитуда которых превышает порог дискриминации амплитудного дискриминатора, преобразуются нормализатором импульсов в импульсы стандартной амплитуды и длительности. При этом полезные сигналы, вызываемые прохождением металлического предмета через зоны чувствительности двух секций датчика, будут определяться двумя импульсами, сдвинутыми друг относительно друга на время T, определяемое расстоянием l_δ между центрами зон чувствительностей секций датчика и скоростью v перемещения через них контролируемой продукции, содержащей металлический предмет: При этом длительность импульсов τ_и на выходе нормализатора должна выбираться много меньшей интервала T ( τ_и < T), а базовое расстояние l_δ между секциями датчика определяется тем минимальным расстоянием, при котором еще четко различаются два раздельных пика в огибающей амплитуды сигнала автогенератора при прохождении через датчик металлического предмета.

В итоге после нормализатора импульсов сигнал будет представлять собой некоторую последовательность одинаковых (по длительности и амплитуде) прямоугольных импульсов, представляющих собой смесь полезных сигналов U_c(t) (вызываемых прохождением через датчик металлических частиц) и ложных U_ш(t) (вызываемых любыми другими причинами): U_н(t)=U_c(t) + U_ш(t).

Поток ложных (или шумовых) сигналов в подобных системах принято характеризовать пуассоновским распределением (имеется в виду распределение интервалов времени Dt между импульсами): где λ_ш интенсивность потока импульсов шумового сигнала, равная среднему числу импульсов в единицу времени.

Пуассоновским законом можно отразить и поток полезных сигналов, но благодаря использованию двухсекционного датчика, он будет состоять из двух одинаковых последовательностей импульсов, сдвинутых на время T. При этом отношение "сигнал/шум" будет равно После прохождения через систему задержки, настроенной на время задержки τ_з T, получаем на ее выходе поток задержанных импульсов: u_з(t) = u_н(t+τ_з) = u_c(y+τ_з)+u_ш(t+τ_з).

Через схему совпадений пройдут только импульсы полезного сигнала и случайно совпавшие шумовые импульсы ("ложные совпадения"). В итоге интенсивность потока импульсов на выходе схемы совпадений будет: λ_cc= λ_c+λ_л, где λ_л интенсивность "ложных совпадений".

Вероятность "ложных совпадений" может быть найдена из общего выражения вероятности появления k событий при пуассоновском законе распределения за время τ [5] Для этого достаточно интервал τ в данном выражении сузить до величины t_p равной времени разрешения схемы совпадений, которое в свою очередь определяется длительностью импульсов τ_и, формируемых нормализатором, а следовательно, в этом интервале может поместиться не более одного шумового импульса с вероятностью .

Тогда интенсивность "ложных совпадений" определится как λ_л= λ_шp_л, а отношение "сигнал/шум" на выходе схемы совпадений будет определяться как: .

В итоге эффективность данного метода подавления ложных сигналов можно определить коэффициентом подавления ложных сигналов K_п: .

Учитывая, что в реальных случаях интенсивность шумовых импульсов на выходе нормализатора благодаря предварительно амплитудной дискриминации не должна превышать 10^-2-10^-3 1/с, а время разрешения схемы совпадений (при скорости движения контролируемой продукции порядка 1 м/с) будет не более 0,01 с, получаем, что коэффициент подавления K_п, определяющий эффективность данного метода подавления ложных сигналов, будет иметь значение 10⁴-10⁵. Причем при увеличении скорости контроля (скорости движения контролируемых изделий через датчик) коэффициент подавления может быть увеличен еще больше, так как появляется возможность уменьшить время разрешения схемы совпадений без риска упустить полезный сигнал из-за вариаций фронтов импульсов, формируемых нормализатором импульсов.

Амплитудный дискриминатор с регулируемым порогом дискриминации введен в схему с целью снижения начальной интенсивности ложных сигналов, поступающих на вход нормализатора импульсов. Это обусловлено тем, что в качестве компаратора используется практически дифференциальный усилитель с большим коэффициентом усиления и при очень малых уровнях разностного сигнала на его входах сигнал на его выходе не достигает насыщения и имеет невысокую крутизну фронтов. Это и позволяет, используя амплитудный дискриминатор, не пропустить на вход нормализатора слабые ложные сигналы с уровнем ниже порога дискриминации и, одновременно, повысить крутизну фронтов тех сигналов, которые проходят через дискриминатор.

Таким образом, все указанные выше отличительные признаки являются существенными для достижения указанного эффекта.

Устройство предлагаемого металлообнаружителя можно уяснить из структурной схемы, представленной на чертеже.

Металлообнаружитель состоит из двухсекционного датчика 1 с двумя последовательно и встречно включенными полуобмотками, пространственно разнесенными на определенное расстояние друг от друга, автогенератора 2, цепи АРУ выходного сигнала автогенератора, состоящей из детектора 3 АРУ, фильтра 4 АРУ и электронной схемы 5 АРУ, буферного усилителя 6, детектора 7, компаратора 10, выполненного в виде дифференциального усилителя, на оба входа которого поступает сигнал, прошедший через интегрирующие фильтры 8 и 9 с малой и большой постоянными времени, амплитудного дискриминатора и нормализатора импульсов 11, схемы задержки 12, схемы совпадений 13, схемы формирования выходных сигналов 14, исполнительного устройства 15 и устройства сигнализации 16.

Металлообнаружитель работает следующим образом. При прохождении продукции, содержащей металлическую частицу последовательно через зоны чувствительности двух секций индуктивного датчика, на огибающей высокочастотного сигнала автогенератора появится два колоколообразных отрицательных импульса, сдвинутых во времени на время поскольку добротность колебательного контура при прохождении металлической частицы через секции датчика будет уменьшаться, а схема АРУ за счет наличия интегрирующего фильтра с большой постоянной времени не будет компенсировать эти изменения добротности. С помощью детектора 7 эти импульсы выделяются из огибающей сигнала и поступают на оба входа дифференциального усилителя 10 через фильтры 8 и 9 с различными постоянными времени. Один фильтр (с малой постоянной времени) пропускает эти импульсы практически без искажений. Он необходим для сглаживания более коротких импульсов, которые могут возникать из-за ударов, вибрации и высокочастотных помех. Второй фильтр (с большой постоянной времени) должен почти полностью сглаживать и полезные импульсы (не говоря уже о более коротких шумовых импульсах). Дифференциальный усилитель усиливает полезные импульсы до величины, превышающей порог дискриминации амплитудного дискриминатора и нормализатора импульсов 11, который из них формирует импульсы стандартной амплитуды и длительности. Длительность этих импульсов должна выбираться не менее половины длительности импульсов, снимаемых с выхода дифференциального усилителя (чтобы из-за возможных смещений их фронтов, вследствие неидентичности двух последовательных импульсов, не произошла потеря полезного сигнала на схеме совпадений). Два последовательных импульса, сформированных нормализатором, поступают на вход схемы задержки и первый вход схемы совпадений (схемы "И"). Схема задержки задерживает все поступающие на ее вход импульсы (как полезные, так и ложные) на время T, после чего они поступают на второй вход схемы совпадений. Таким образом, через схему совпадений пройдет только второй импульс из пары полезных импульсов, сдвинутых между собой на время T. Из шумовых импульсов пройдут только те, временной интервал между которыми оказался равным T (анализ вероятности такой ситуации был приведен выше). Импульсы, прошедшие через схему совпадений, поступают на схему 14 формирования выходных сигналов, которая формирует необходимые сигналы для исполнительного устройства 15 и устройства сигнализации 16.

Датчик может быть как проходного, так и накладного типа, однако проходной датчик позволяет достигать большей чувствительности. Две его встречно включенные секции образуют индуктивность колебательного контура автогенератора. Встречное включение его секций позволяет дополнительно повысить его чувствительность, поскольку суммарная индуктивность в этом случае будет определяться как L_g L₁ + L₂ M_1,2, где L₁ и L₂ индуктивности секций датчика, а M_1,2 взаимная индуктивность секций, составляющая значительную долю индуктивности секций, поскольку секции расположены достаточно близко друг от друга. (При проходной конструкции датчика оптимальное расстояние между плоскостями обмоток секций составляет примерно 2/5 диаметра обмоток). Поэтому при прохождении металлической частицы через зоны чувствительности секций относительные изменения суммарной индуктивности и добротности будут больше, чем при согласном включении секций.

Настройка автогенератора в режим, близкий к критическому, также позволяет увеличить чувствительность прибора, поскольку в этом режиме минимальные изменения добротности контура приводят к резким изменениям амплитуды генерируемых колебаний. Генератор автоматически поддерживается в этом режиме системой АРУ, но благодаря интегрирующему фильтру в петле АРУ на быстрые изменения добротности, вызываемые прохождением металлической частицы через зону чувствительности датчика, АРУ не реагирует, что приводит к появлению соответствующих изменений амплитуды генерируемых колебаний.

Двухступенчатое подавление медленных дрейфов и смещений, вызываемых любыми причинами, за счет отрицательной обратной связи (с интегрирующим фильтром) по амплитуде в автогенераторе и за счет использования дифференциального усилителя с интегрирующими фильтрами с резко отличными постоянными времени на входах, а также использование критического режима возбуждения автогенератора и большой коэффициент усиления дифференциального усилителя позволяют довести чувствительность прибора к быстрым изменениями добротности датчика до 10^-8-10^-9. Использование же двухсекционного датчика, амплитудного дискриминатора и нормализатора импульсов, схемы задержки сигнала и схемы совпадений позволяют, как было показано выше, на 4-5 порядков снизить вероятность ложных срабатываний, вызываемых различными импульсными помехами и вибрацией элементов автогенератора и датчика, что обеспечивает надежную работу металлообнаружителя в производственных условиях в автоматическом режиме.

Источники информации 1. Булгак Л. Степанов А. Металлоискатель. Радио, 1984, N 1, с.49.

2. Нечаев И. Металлоискатель на микросхеме. Радио, 1987, N 1, с.49.

3. А.с. СССР N 1260902, МКИ 01 3/08, Металлообнаружитель. А.П.Волгарев, Н. Я. Кравченко (СССР), N 3936240/40-36; заявл. 29.04.85; опубл. 30.09.86, Бюл. N 36.

4. Тенев Л. Устройство для обнаружения движущихся металлических предметов. Радио, 1987, N 5, с.61.

5. Калашников И.Д. Степанов В.С. Чуркин А.В. Адаптивные системы сбора и передачи информации. М. Энергия, 1975, 324 с.

Формула изобретения

Металлообнаружитель, содержащий датчик в виде катушки индуктивности, включенный в колебательный контур автогенератора гармонических колебаний, работающего в режиме, близком к критическому и имеющему отрицательную обратную связь по амплитуде генерируемых колебаний, в контур которой включен интегрирующий фильтр, детектор, вход которого через буферный усилитель подключен к выходу автогенератора, а выход через интегрирующие фильтры с резко отличными постоянными времени подключен к входам компаратора, выполненного в виде дифференциального усилителя, исполнительное и сигнальное устройства, отличающийся тем, что датчик металлообнаружителя выполнен в виде двух встречно включенных секций, разнесенных на определенное расстояние друг от друга, а в схему металлообнаружителя дополнительно включены амплитудный дискриминатор и нормализатор импульсов, схема задержки и схема совпадений, причем вход амплитудного дискриминатора и нормализатора импульсов подключен к выходу дифференциального усилителя, а выход к первому входу схемы совпадений и входу схемы задержки, выход которой подключен к второму входу схемы совпадений.

РИСУНКИ

Рисунок 1