датчик контроля нити

Формула изобретения

1. ДАТЧИК КОНТРОЛЯ НИТИ, содержащий емкостный чувствительный элемент, электрически связанный через преобразователь сопротивления с блоком оценки информации, источник питания постоянного напряжения, отличающийся тем, что преобразователь сопротивления состоит из полевого и биполярного транзисторов, причем затвор полевого транзистора является входом преобразователя, сток полевого транзистора связан через первый резистор с источником питания, а исток непосредственно соединен с базой биполярного транзистора, эмиттер которого через второй резистор соединен с корпусом, а через третий резистор - с базой этого же транзистора, коллектор биполярного транзистора непосредственно подключен к источнику питания, при этом преобразователь сопротивления охвачен следящей обратной связью путем соединения биполярного эммитера транзистора через первый конденсатор со стоком полевого транзистора, а через последовательно соединенные второй конденсатор и резистор смещения - с затвором полевого транзистора, причем второй конденсатор через резистор развязки связан с источником питания, выходом преобразователя сопротивления является эмиттер биполярного транзистора.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что блок оценки информации содержит усилитель, пиковый детектор, пороговое устройство, первый и второй сдвиговые регистры, генератор импульсов, инвертор, источник опорного напряжения, переключатель, причем вход усилителя является входом оценки информации, а выход усилителя подключен к входу пикового детектора, выход которого подключен к первому входу порогового устройства, а второй вход подключен к источнику опорного напряжения, выход порогового устройства подключен к R-входу первого сдвигового регистра и D-входу второго сдвигового регистра, второй вход "Сброс" пикового детектора подключен к выходу первого сдвигового регистра и R-входу сдвигового регистра, D-вход первого сдвигового регистра связан с источником питания, выход генератора импульсов соединен с входами С (синхронизации) первого и второго регистров, выходы второго сдвигового регистра через переключатель подключены к входу инвертора, выход которого является одновременно выходом блока оценки информации и датчика контроля нити.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для контроля движущихся нитей на технологическом текстильном оборудовании и может быть использовано для аналогичных целей в других отраслях промышленности.

Известны датчики контроля нити, содержащие подвешенные на нить контрольные крючки, падающие или поворачивающиеся при обрыве нити или уменьшении натяжения, и замыкающие электрические контакты или изменяющие индуктивность обмоток возбуждения, содержащихся в электрической схеме управления оборудованием (авт. св. N 141082, кл. 76 d, 8, 1961; N 244164, кл. D 02 f, 1969; N 251488, кл. D 03b, 1970). Эти датчики практически невозможно применить для контроля обрыва особо тонких нитей малой линейной плотности, а скорость срабатывания датчика при обрыве невысока из-за наличия в их составе обладающих заметной инерцией подвижных деталей.

Известен датчик контроля нити, содержащий емкостной чувствительный элемент, преобразователь сопротивления, в качестве которого используется операционный усилитель, и электронный блок оценки информации (пат. Швейцарии N 660582, кл. В 65 Н 63/02, 1987).

Этот датчик по принципу действия наиболее близок к предлагаемому и принят за прототип.

Недостатком прототипа являются контроль состояния нити только за счет наведенного статического заряда и относительно низкая чувствительность за счет влияния входной емкости операционного усилителя и его входного сопротивления.

Цель предлагаемого изобретения повышение чувствительности датчика и надежности контроля движущейся нити.

Указанная цель достигается тем, что в датчике контроля нити, содержащем емкостной чувствительный элемент, электрически связанный через преобразователь сопротивления с блоком оценки информации, источник питания постоянного напряжения, согласно изобретению, преобразователь сопротивления состоит из полевого и биполярного транзисторов, причем затвор полевого транзистора является входом преобразователя, сток полевого транзистора связан через первый резистор с источником питания, а исток непосредственно соединен с базой биполярного транзистора, эмиттер которого через второй резистор соединен с корпусом, а через третий резистор с базой этого же транзистора, коллектор биполярного транзистора непосредственно подключен к источнику напряжения, при этом преобразователь сопротивления охвачен следящей обратной связью за счет соединения эмиттера биполярного транзистора через первый конденсатор со стоком полевого транзистора, а через последовательно соединенные второй конденсатор и резистор смещения с затвором полевого транзистора, причем второй конденсатор через резистор развязки связан с источником питания, выходом преобразователя сопротивления является эмиттер биполярного транзистора; блок оценки информации содержит усилитель, пиковый детектор, пороговое устройство, первый и второй сдвиговые регистры, генератор импульсов, инвертор, источник опорного напряжения, переключатель, причем вход усилителя является входом блока оценки информации, а выход усилителя подключен к входу пикового детектора, выход которого подключен к первому входу порогового устройства, а второй вход подключен к источнику опорного напряжения, выход порогового устройства подключен к R-входу первого сдвигового регистра и к D-входу второго сдвигового регистра, второй вход "сброс" пикового детектора подключен к выходу первого сдвигового регистра и к R-входу второго сдвигового регистра, D-вход первого сдвигового регистра связан с источником питания, выход генератора импульсов соединен с входами С (синхронизации) первого и второго сдвигового регистра, выходы второго сдвигового регистра через переключатель подключены к входу инвертора, выход которого является одновременно выходом блока оценки информации и датчика контроля нити.

На фиг. 1. приведена принципиальная электрическая схема чувствительного элемента и преобразователя сопротивления; на фиг. 2 структурная схема предлагаемого датчика контроля нити; на фиг. 3 временные диаграммы, поясняющие работу элементов схемы датчика.

Датчик устанавливается на фиксированном расстоянии от контролируемой нити 1 и содержит (фиг.1 и 2) емкостной чувствительный элемент 2, соединенный с затвором полевого транзистора 3, сток которого через первый резистор 4 соединен с источником питания, а исток с базой биполярного транзистора 5, эмиттер биполярного транзистора через второй резистор 6 соединен с корпусом, а через третий резистор 7 с базой биполярного транзистора, эмиттер биполярного транзистора является выходом преобразователя сопротивления 8 и соединен также через первый конденсатор 9 со стоком полевого транзистора 3, а через второй конденсатор 10 и резистор смещения 11 соединен с затвором полевого транзистора 3, выход преобразователя сопротивления 8 соединен с входом усилителя 12, выход которого соединен с входом пикового детектора 13, выход которого в свою очередь соединен с одним из входов порогового устройства 14, на второй вход которого подается опорное напряжение, выход порогового устройства соединен с R-входом первого сдвигового регистра 15 и D-входом второго сдвигового регистра 16, при этом С-входы (синхронизации) первого и второго сдвигового регистров 15 и 16 соединены с выходом генератора 17, на D-вход первого сдвигового регистра соединен с источником питания, а выход первого сдвигового регистра 15 соединен с входом сброса пикового детектора 13 и входом R второго сдвигового регистра 16, один из выходов (N-й разряд) 2-го сдвигового регистра 16 через переключатель 18 соединен с входом инвертора 19, выход которого является выходом датчика контроля нити.

Входная часть датчика имеет эквивалентную схему (фиг.1), где приняты следующие обозначения: 20 емкость С_к, определяемая конструкцией чувствительного элемента 2 датчика относительно его экрана 21; 22, 23 проходная С_пр и входная С_вх соответственно емкости полевого транзистора 3; 24 емкость С_н, обусловленная нахождением нити 1 в зоне чувствительного элемента 2 датчика и корпусного экрана 21; 11 входное сопротивление преобразователя R_вх, значение которого обычно составляет 10-20 МОм.

Структурная схема датчика содержит также конденсатор 25, диод 26 и полевой транзистор 27, являющиеся элементами пикового детектора и схемы сброса напряжения.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При движении нити 1 вблизи чувствительного элемента 2 на его выходе появляется переменное напряжение, обусловленное неоднородностью нити, ее колебаниями и наличием наведенного на нить заряда статического электричества.

При неподвижной нити 1 эквивалентная емкость С_о чувствительного элемента 2 имеет электрический заряд Q_o:

Q_o Q_ст + U_o C_o, где Q_ст наведенный на нить заряд статического электричества,

U_o постоянное напряжение, подаваемое на чувствительный элемент 2 через резисторы 11 и 28, равное половине напряжения питания U_п;

С_о С_к + С_вх + С_пр + С_н эквивалентная емкость чувствительного элемента 2 относительно экрана.

При колебании нити 1 эквивалентная емкость изменяется на величину С_н и имеет электрический заряд Q_t:

Q_t (Q_ст+ Q_стt) + U_~ (Co + C_н), где Q_ст изменение статического заряда нити при ее движении,

U_~ U_o U_t напряжение на эквивалентной емкости при движении нити 1,

U_t переменная часть напряжения на эквивалентной емкости чувствительного элемента при движении нити,

C_н изменение эквивалентной емкости при движении нити 1 за счет непрерывности и ее баллонирования.

В случае, если входное сопротивление датчика R_вх R_вх_ Q_o Q_t.

Отсюда

U~ +

В предложенном датчике контроля нити увеличение чувствительности обеспечивается за счет появления второй составляющей формулы и мер по уменьшению действующих величин С_вх, С_пр, и увеличению действующей величины входного сопротивления R_вх. С этой целью в преобразователе сопротивления на полевом транзисторе 3 и биполярном транзисторе 5 применена следящая обратная связь по затвору через конденсатор 10 и резистор 11 и обратная связь по стоку через конденсатор 9, что дает возможность уменьшить действующие значения емкостей С_вх и С_пр и увеличить действующее значение R_вх примерно в 100 раз.

Предлагаемый датчик позволяет контролировать нить, не несущую статический заряд. В этом случае

U~

Все это позволяет существенно увеличить чувствительность датчика и обеспечить бесконтактный контроль нитей малой массы на достаточно удаленных от чувствительного элемента расстояниях.

Работа остальной части схемы поясняется временными диаграммами, изображенными на фиг.3.

Переменное напряжение U_~ с выхода преобразователя сопротивления 8 через усилитель 12 поступает на вход пикового детектора 13. Под воздействием входного сигнала конденсатор 25 через диод 26 заряжается до амплитудного (пикового) значения (диаграмма 2 на фиг.3). Если это напряжение при движении нити 1 превышает пороговое напряжение U_пор, подаваемое на другой вход порогового устройства 14, то на выходе порогового устройства появляется сигнал "Лог. 0" (диаграммы 2,4, фиг. 3). Этот сигнал подается на R-вход первого сдвигового регистра 15, не блокируя его работу, и D-вход второго сдвигового регистра 16. При наличии нити 1 с каждым тактом синхронизирующей частоты генератора 17 (диаграмма 1 на фиг.3) подтверждает нулевое состояние на выходе сдвигового регистра 16, которое через инвертор 19 подается на выход датчика сигналом "Лог. 1". С каждым тактом синхронизующей частоты генератора 17 сигнал с выхода сдвигового регистра 15 формирует импульсы сброса полевого транзистора 27, разряжающего накопительную емкость 25 пикового детектора 13 (диаграмма 3, фиг. 3). Этот же сигнал обнуляет сдвиговый регистр 16, который вновь готов к приему информации о состоянии нити с выхода порогового устройства 14. Быстродействие схемы выдачи информации об обрыве нити обеспечивается тем, что слежение за состоянием нити осуществляется пиковым детектором 13 каждый период тактовой частоты генератора 17. При случайном сбое информации на выходе порогового устройства 14 (появление сигнала помехи "Лог. 1") следующий такт генератора 17 сформирует сигнал сброса пикового детектора 13 и второго сдвигового регистра 16, которые сбросят ложную информацию, а за счет временной задержки, которая обеспечивается выбором сигнала с N-го выхода регистра 16 переключателем 18, эта ложная информация не подается на выход датчика.

При обрыве нити или ее останове сигнал на выходе порогового устройства 14 меньше порогового напряжения U_пор и на выходе порогового устройства 14 формируется сигнал "Лог.1". Этот сигнал подается на R-вход регистра 15, обнуляя регистр 15 и блокируя его работу, и на D-вход регистра 16, вызывая появление на выходах регистра сигналов "Лог.1", которые перемещаются в сторону старшего разряда регистра 16 под действием тактовых импульсов генератора 17 (диаграмма 5-8 на фиг.3). Выбор переключателем 18 временной задержки определяется момент появления сигнала "Лог.0" на выходе датчика (после прохождения через инвертор 12). Этот сигнал индицирует обрыв нити на выходе датчика.

Подобная конструкция датчика контроля нити обеспечивает высокую чувствительность его при контроле бесконтактным способом и надежную работу в условиях индустриальных помех.

Предложенное устройство может также использоваться в других отраслях промышленности, в частности, в качестве бесконтактного индикатора уровня различных жидкостей, индикатора наличия или отсутствия различных веществ и жидкостей в трубопроводах и др.