индуктивный бесконтактный переключатель

Формула изобретения

1. Индуктивный бесконтактный переключатель, содержащий последовательно соединенные магнитоиндуктивный чувствительный элемент, автогенератор, демодулятор, спусковой элемент и выходной усилитель мощности, отличающийся тем, что магнитоиндуктивный чувствительный элемент выполнен в виде ферритовой чашки, имеющей в разрезе Ш-образную форму, на центральном стержне которого помещена катушка, витки которой входят в LС-контур возбуждения автогенератора в качестве индуктивности, а сам автогенератор выполнен по сверхрегенеративной схеме, демодулятор выполнен по схеме синхронного детектора, выход демодулятора через ФНЧ соединен со спусковым элементом, выполненным на двухстабильной пороговой схеме с бинарной отсечкой, выход этой схемы соединен с выходным усилителем мощности, выходные контакты которого выполнены в виде логических уровней: лог.0 или лог.1, причем лог.1 соответствует уровню питающего напряжения, а лог.0 близок к нулю этого напряжения.

2. Индуктивный бесконтактный переключатель по п.1, отличающийся тем, что выходной усилитель мощности выполнен в виде линейного генератора тока.

3. Индуктивный бесконтактный переключатель по п.1, отличающийся тем, что автогенератор выполнен на микроконтроллере с внутренним автогенератором, в LС-контур возбуждения которого входит индуктивность чувствительного элемента, а демодулятор, ФНЧ, линейный усилитель и спусковой элемент также являются частью внутренней структуры микроконтроллера.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам автоматики и может быть использовано для получения информации об изменении параметров, режима работы или состояния отдельных агрегатов и процессов, поступающих в управляющие блоки систем автоматики от датчиков, устанавливаемых в местах замера или контроля, например, позволяющие перемещение измерительной системы того или иного параметра привести к электрическим величинам на выходе датчика.

Общеизвестны и широко применяются индуктивные датчики, в которых изменения выходной величины, т.е. снимаемого с датчика сигнала, достигаются за счет вариации индуктивного сопротивления катушки, введенной в цепь переменного тока. Для этого магнитопровод снабжают подвижным органом - якорем, перемещающимся в функции величины измеряемого параметра; в зависимости от положения якоря меняется магнитное сопротивление магнитопровода, а следовательно, индуктивность катушки и ее полное электрическое сопротивление. Замер последнего одним из известных способов позволяет судить о значении параметра, см. Аранович Б.И., Шамрай Б.В. Электромагнитные устройства автоматики. - М.-Л.: Энергия, 1965, стр.449-452.

Недостатками данных индуктивных датчиков являются

- большие габаритно-массовые характеристики (ГМХ);

- сложность в изготовлении, следовательно, высокая себестоимость;

- недостаточные точностные характеристики.

Общими проблемами индуктивных датчиков являются следующие:

- одновременное измерение как малых, так и больших перемещений, другими словами высокая чувствительность во всем диапазоне перемещений от долей мм до 100 мм;

- получение одинакового коэффициента редукции на различные металлы, начиная с железа, кончая медью и алюминием.

Известны наиболее распространенные индуктивные преобразователи с малым воздушным зазором , который изменяется под воздействием измеряемой величины. Рабочее перемещение в этих преобразователях составляет 0,1-10 мм. Если в этих преобразователях использовать ферритовые элементы, на которых намотаны катушки, а внутри катушки поместить стальной стержень-сердечник, перемещение которого вызывает изменение индуктивности катушки, то этот тип преобразователя можно применять для измерения значительных перемещений сердечника в пределах 10-100 мм, см. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин. - Л.: Энергоатомиздат, 1983, стр.184-186.

Недостатками этих преобразователей являются

- малая величина (от общей шкалы измерения) линейного участка;

- большие температурные погрешности;

- обязательным условием является выполнение измерительной цепи в виде неравновесного измерительного моста, в два плеча которого включены две половины дифференциального преобразователя параллельно источнику и питание моста от источника напряжения; это ведет к трудностям уравновешивания моста в начальном положении, т.к. технологически трудно получить точное равенство двух сопротивлений двух половин преобразователя.

Известны попытки увеличения диапазона перемещения, для чего применена пара магнитострикционных элементов, выполненных в виде трубок с общей обмоткой продольного намагничивания, образующих замкнутую цепь, а дополнительно введена еще одна пара магнитострикционных элементов с обмоткой поперечного намагничивания, см. патент РФ 1286030, H 01 L 41/12.

Недостатками этого способа является

- схемная сложность, следовательно и сложность в изготовлении;

- диапазон измерения перемещения недостаточен и лежит в нижнем пределе, а именно 0-10 мм;

- коэффициент редукции различен для различных металлов.

Известны индуктивные датчики нового поколения, которые не имеют традиционной катушки с ферритовым сердечником, а оснащены бесферритовой трехкатушечной системой, причем средняя катушка входит в контур возбуждения автогенератора, это позволяет решить проблему коэффициента редукции при взаимодействии с различными металлами и сплавами, а также расширить область переключения и устойчивость к воздействию постоянного и переменного магнитных полей, см. "Проспект фирмы TURCK", стр.2-8, www. turck. ru info @ turck. ru. - ПРОТОТИП.

При всех своих положительных качествах способ построения этих индуктивных датчиков обладает следующими недостатками:

- требуется строгая индивидуальная подстройка каждого автогенератора под конкретные катушки;

- явная зависимость коэффициента редукции на краях диапазона переключения (min и mах);

- при очень медленном перемещении объекта автогенератор входит в линейный режим (вместо релейного), что приводит к неоднозначности определения, а также может привести к выходу его из строя, т.к. в этом режиме ток уже большой, а напряжение еще большое.

Технической задачей изобретения является повышение эксплуатационных качеств за счет

- технологической прозрачности;

- низкой стоимости аппаратных средств;

- низкого уровня потребляемой мощности;

- оптимизации электронной схемы;

- повышения чувствительности и точности при одновременном расширении диапазона измерения.

Для решения поставленной задачи предлагается индуктивный бесконтактный переключатель, содержащий последовательно соединенные магнитоиндуктивный чувствительный элемент, автогенератор, демодулятор, спусковой элемент и выходной усилитель, при этом магнитоиндуктивный чувствительный элемент выполнен в виде ферритовой чашки, имеющей в разрезе Ш-образную форму, на центральном стержне которого помещена катушка, витки которой входят в LC-контур возбуждения автогенератора в качестве индуктивности, а сам автогенератор выполнен по сверхрегенеративной схеме, выход автогенератора соединен с демодулятором, который выполнен по схеме синхронного детектора, выход которого через ФНЧ соединен со спусковым элементом, выполненным на двухстабильной пороговой схеме с бинарной отсечкой, выход этой схемы соединен с усилителем мощности, выходные контакты которого выполнены в виде логических уровней: лог.0 или лог.1, причем лог.1 соответствует уровню питающего напряжения, а лог.0 близок к нулю этого напряжения; вариант: автогенератор имеет линейную характеристику, а выходной усилитель мощности выполнен в виде линейного генератора тока; вариант: автогенератор, выполнен на микроконтроллере с внутренним автогенератором, в обмотку возбуждения которого входит индуктивность чувствительного элемента, причем демодулятор, ФНЧ, линейный усилитель и спусковой элемент также являются частью внутренней структуры микроконтроллера.

На фиг. 1 показана функциональная схема индуктивного переключателя, на фиг. 2 и 3 - ее варианты, на которых показано 1 - времязадающий LC-контур, 2 - автогенератор, 3 - демодулятор, 4 - ФНЧ, 5 - спусковой элемент, 6 - выходной усилитель мощности, 7 - линейный усилитель, 8 - выходной генератор тока, 9 - микроконтроллер.

Времязадающий LC-контур возбуждения соединен с автогенератором 2, выход которого через демодулятор 3 и ФНЧ 4 соединен по первому варианту (фиг.1) с входом спускового элемента 5, выход которого через выходной усилитель мощности 6 соединен с н.о. и/или н.з. логическими контактами, которые являются релейными выходами переключателя; по второму варианту (фиг.2) выход ФНЧ 4 соединен с входом линейного усилителя 7, выход которого соединен с входом генератора тока 7, выход последнего является аналоговым выходом переключателя; по третьему варианту (фиг.3) автогенератор, демодулятор, ФНЧ и спусковой элемент входят в состав МК 9, первый выход которого соединен с входом выходного усилителя мощности 6, н.о. и/или н.з., логические контакты которого являются релейными выходами переключателя, а второй выход МК 9 соединен с входом линейного генератора тока 7, выход которого является аналоговым выходом переключателя.

Узлы переключателя могут быть выполнены на следующих типовых и известных элементах: автогенератор 2 с времязадающим LC-контуром 1 - по классической схеме LC генератора с сверхрегенеративным усилителем, см. Титце У. и Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1982, стр.294-296; демодулятор 3 - по схеме синхронного детектора на операционных усилителях (ОУ) 140 серии; ФНЧ 4 по схеме, см. там же, стр.14-16; спусковой элемент 5 - на триггере Шмитта, см. там же, стр.288; выходной усилитель мощности 6 в релейном режиме - см. там же, стр.238-240; линейный усилитель 7 - на ОУ 140 серии, включенном в масштабном режиме; выходной генератор тока 8 - по предыдущей схеме с добавлением умощняющего транзистора; МК 9 - например, PIC 16 С 57 фирмы MICROCHIP.

Индуктивный бесконтактный переключатель работает следующим образом. Рассмотрим на примерах фиг.1, фиг.2 и фиг.3.

Работа по фиг.1 происходит следующим образом.

Ферритовая чашка, которая в разрезе имеет Ш-образную форму, конструктивно помещена в пластмассовый стакан, причем основание сердечника находится в одном торце стакана. Катушка индуктивности L намотана на среднем стержне, поэтому, когда вблизи индуктора нет металлического предмета, результирующая ЭДС магнитного потока равна нулю и автогенератор 2 генерирует частоту, определяемую контуром возбуждения LC, которая обычно лежит в пределах 160-500 кГц. Амплитуда колебаний частоты близка к напряжению питания. После детектирования на синхронном детекторе 3, сглаживания на ФНЧ 4, полученное напряжение поступает на вход двухстабильного порогового элемента (триггер Шмитта в простейшем случае) 5, который находится под воздействием этого напряжения в первом устойчивом исходном состоянии.

При приближении к индуктивному датчику 1 металлического предмета результирующая магнитная ЭДС становится отличной от нуля и при определенном расстоянии от датчика 1 происходит изменение амплитуды колебаний автогенератора 2 от mах до какой-то определенной min величины, частота при этом изменяется незначительно. Спусковой элемент 5 реагирует на это уменьшение амплитуды (настроен на нее) и переходит во второе устойчивое состояние. К выходу спускового элемента 5 подключен усилитель мощности 6, который включен в релейном режиме и выдает лог.0 или лог.1 с уровнем тока, достаточным для потребителя.

При построении автогенератора 2 по сверхрегенеративной схеме при приближении металлического предмета к индуктивному датчику 1 изменение магнитной ЭДС приводит к резкому срыву колебаний автогенератора 2, в результате чего его выходное напряжение падает до нуля, далее все происходит, как и в описанном выше.

Построение схемы по второму варианту (фиг.2) отличается тем, что изменение амплитуды выходного напряжения автогенератора 2 происходит линейно и прямо пропорционально расстоянию до искомого металлического предмета. В этом варианте исключен триггер Шмитта, а вместо него включен линейный усилитель 7, выходное напряжение которого пропорционально расстоянию до металлического предмета (или обратно пропорционально - это по желанию заказчика), затем это пропорциональное напряжение поступает на генератор тока 8, образуя токовый выход, т.е. уже величина выходного тока пропорциональна расстоянию до металлического предмета, причем выдаваемый ток не зависит от нагрузки (конечно, в определенных заданных пределах).

Построение схемы по третьему варианту (фиг.3) объединяет достоинства первых двух, т.е. применение микроконтроллера 9 позволяет в одном конструктиве иметь и первый и второй варианты. Современные микроконтроллеры имеют в своем составе дополнительные генераторы, амплитудные, частотные и фазовые детекторы, ФНЧ, линейные усилители, аналоговые компараторы и т.д. (в зависимости от типа), все это при min габаритах и низкой стоимости, не превышающей 1-2 $ за чип.

Следует заметить, что индуктивные датчики всех указанных в заявке модификаций, как и другие, изготовляются и испытываются по международному стандарту JEC 60947-5-2, а корпуса (типоразмеры) соответствуют ГОСТ Р 50030.5.2-99, который также соответствует европейскому стандарту.

Т. к. в технической и патентной литературе РФ и других стран приводятся описания все новых и новых конструктивных особенностей индуктивных датчиков, то отсюда следует однозначный вывод, что существующие индуктивные датчики все еще далеки от совершенства и не всегда устраивают по своим эксплуатационным качествам потребителей. Конечно, создать универсальный индуктивный датчик, отвечающий международному критерию "стоимость-эффективность", задача довольно сложная, и предлагаемое техническое решение является одной из попыток.