устройство для определения наличия металла

Формула изобретения

1. Устройство для определения наличия металла, содержащее автогенератор с LC-рабочим колебательным контуром, катушка индуктивности которого является чувствительным элементом, выпрямитель, выход которого соединен с пороговым элементом, соединенным с выходным усилителем, отличающееся тем, что автогенератор имеет последовательно соединенные усилитель-ограничитель и линейный усилитель, при этом линейный усилитель связан с колебательным контуром прямой связью, а усилитель-ограничитель - обратной, колебательный контур связан с выпрямителем, выход которого является выходом автогенератора, в устройство дополнительно введен генератор опорного напряжения, выполненный по схеме автогенератора со своим выпрямителем, при этом генератор опорного напряжения содержит LC-компенсационный колебательный контур, катушка индуктивности которого смещена относительно катушки индуктивности автогенератора на величину большую, чем D, где D - диаметр катушки индуктивности автогенератора, и экранирована от катушки индуктивности автогенератора и от внешней среды, при этом пороговый элемент имеет два входа, первый из которых соединен с выходом автогенератора, а второй - с выходом генератора опорного напряжения, и один выход, соединенный с выходным усилителем.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что генератор опорного напряжения имеет металлический настроечный шунт, расположенный в поле его индуктивности.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что металлический настроечный шунт выполнен из той же группы металлов, что и контролируемый металл.

4. Устройство по пп.1, 2 или 3, отличающееся тем, что устройство дополнительно оснащено индикатором, последовательно соединенным с выходным усилителем.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительным приборам для определения наличия металлических тел в заданной точке пространства с использованием магнитных полей и может быть использовано в системах автоматического управления технологическими процессами производства, разборки, сортировки материалов, переработки руд, металлоискателях.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является "Устройство для определения наличия металла" (а.с. №1434237, G01B 7/00), содержащее автогенератор на транзисторе с индуктивным преобразователем в колебательном контуре, включенном в коллекторную цепь транзистора, обмотку обратной связи в базовой цепи транзистора, резистивный элемент в эмиттерной цепи транзистора, выпрямитель и выходной пороговый элемент, при этом в устройство введены параллельно соединенные балластный резистор и сглаживающий конденсатор, подключенные к выходу выпрямителя параллельно с пороговым элементом, вход выпрямителя подключен к выводам обмотки обратной связи, входное сопротивление порогового элемента выбрано, по крайней мере, на порядок выше сопротивления балластного резистора.

Недостатком данного устройства является то, что при его использовании не происходит компенсация влияния температурной восприимчивости устройства на результат определения металла и обеспечивается узкий температурный диапазон регистрации. Оптимальным выбором параметров колебательного контура (числа витков, диаметра провода катушки, емкости конденсатора) удается обеспечить стабильную амплитуду генерации в температурном интервале T=T_max-Т_min 30...40°C. При выходе за этот температурный диапазон амплитуда генерации снижается, поэтому для уверенной работы приходится уменьшать величину рабочего зазора (расстояние до индуцируемого металла). При приближении (срыве генерации) происходит блокировка устройства и потеря работоспособности, что является одним из существенных недостатков прототипа. Таким образом, устройство может ложно срабатывать, либо отказывать в срабатывании, при этом точность его срабатывания (несрабатывания) зависит от температуры окружающей среды.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является расширение температурного диапазона и (или) увеличение рабочего зазора при сохранении габаритов датчика.

Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве для определения наличия металла, содержащем автогенератор с LC-рабочим колебательным контуром, катушка индуктивности которого является чувствительным элементом, выпрямитель, выход которого соединен с пороговым элементом, соединенным с выходным усилителем, автогенератор имеет последовательно соединенные усилитель-ограничитель и линейный усилитель, при этом линейный усилитель связан с колебательным контуром прямой связью, а усилитель-ограничитель - обратной, колебательный контур связан с выпрямителем, выход которого является выходом автогенератора, в устройство дополнительно введен генератор опорного напряжения, выполненный по схеме автогенератора со своим выпрямителем, при этом генератор опорного напряжения содержит LC-компенсационный колебательный контур, катушка индуктивности которого смещена относительно катушки индуктивности автогенератора на величину большую, чем D, где D - диаметр катушки индуктивности автогенератора, и экранирована от катушки индуктивности автогенератора и от внешней среды, при этом пороговый элемент имеет два входа, первый из которых соединен с выходом автогенератора, а второй - с выходом генератора опорного напряжения, и один выход, соединенный с выходным усилителем.

Кроме того, генератор опорного напряжения может иметь металлический настроечный шунт, расположенный в поле его индуктивности.

При этом металлический настроечный шунт может быть выполнен из той же группы металлов, что и контролируемый металл.

Кроме того, устройство может быть дополнительно оснащено индикатором, последовательно соединенным к выходным усилителем.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства для определения наличия металла; на фиг.2 - график зависимости напряжения автогенератора от температуры: кривая 1 - характеристики датчика с автогенератором на сердечнике Б-30, кривая 2 - характеристики датчика с автогенератором на сердечнике Б-14, кривая 3 - разностный сигнал; на фиг.3 - график зависимости напряжения автогенератора от рабочего зазора (расстояния до индуцируемого металла).

Устройство для определения наличия металла состоит из автогенератора 1, генератора опорного напряжения 2, порогового устройства 3, выходного усилителя 4 и индикатора 5.

Автогенератор 1 содержит рабочий колебательный контур 6 с катушкой индуктивности 7, линейный усилитель 8, усилитель-ограничитель 9, выпрямитель 10.

Генератор опорного напряжения 2 выполнен по схеме автогенератора 1 и содержит компенсационный колебательный контур 11 с катушкой индуктивности 12, линейный усилитель 13, усилитель-ограничитель 14, выпрямитель 15.

Компенсационный колебательный контур 11 вынесен из рабочей зоны.

Катушка индуктивности 12 генератора опорного напряжения 2 смещена относительно катушки индуктивности 7 автогенератора 1 на величину большую, чем D, где D - диаметр катушки индуктивности автогенератора 1.

Эта величина позволяет избежать за счет экранирования взаимного влияния и проникновения полей рассеивания колебательных контуров 6 и 11.

В поле индуктивности колебательного контура 12 находится металлический настроечный шунт 16. На металлическом настроечном шунте 16 выполнена шкала (не показана).

Описание входов и выходов устройства

Пороговое устройство 3 имеет два входа и один выход.

Выходной усилитель 4 имеет один вход и один выход.

Индикатор 5 имеет один вход и один выход.

Линейные усилители 8 и 13 имеют по одному входу и одному выходу.

Усилители-ограничители 9 и 14 имеют по одному входу и одному выходу.

Выпрямители 10 и 15 имеют по одному входу и одному выходу.

Связи контактов и блоков заявляемого устройства

Автогенератор 1 и генератор опорного напряжения 2 подключены соответственно к первому и второму входам порогового устройства 3, выход которого соединен с входом выходного усилителя 4, который, в свою очередь, выходом подключен к входу индикатора 5, выход которого является выходом устройства для определения наличия металла.

Рабочий колебательный контур 6 связан с входом усилителя-ограничителя 9, который подключен к входу линейного усилителя 8, связанного выходом с входом рабочего колебательного контура 6, и с входом выпрямителя 10, выход которого является выходом автогенератора 1.

Компенсационный колебательный контур 11 связан с входом усилителя-ограничителя 14, который выходом подключен к входу линейного усилителя 13, связанного выходом с входом компенсационного колебательного контура 11, и с входом выпрямителя 15, выход которого является выходом генератора опорного напряжения 2.

Функциональное назначение узлов заявляемого устройства

Автогенератор 1 и генератор опорного напряжения 2 выполнены по одинаковой схеме и содержат усилители, состоящие из линейных усилителей 8 и 13 и усилителей-ограничителей 9 и 14 соответственно. Обратная связь, охватывающая усилитель, является положительной на частоте генерации.

Генератор опорного напряжения 2 введен для компенсации температурных помех.

В автогенераторе 1 и генераторе опорного напряжения 2 в качестве частотно-задающих элементов выступают колебательные контуры 6 и 11 соответственно.

Усилителями в автогенераторе 1 являются линейный усилитель 8 и усилитель-ограничитель 9, которые необходимы для компенсации затухания сигнала в цепи обратной связи.

Для компенсации затухания в цепи обратной связи генератора опорного напряжения 2 в него введены линейный усилитель 13 и усилитель-ограничитель 14.

Выпрямители 10 и 15 введены для преобразования переменного сигнала, поступающего от колебательных контуров 6 и 11 соответственно, в постоянный сигнал.

Пороговое устройство 3 - простейшее последовательное устройство, которое может находиться в одном из двух возможных состояний и переходить из одного состояния в другое под воздействием входных сигналов от автогенератора 1 и генератора опорного напряжения 2.

Выходной усилитель 4 усиливает сигнал, поступивший от порогового устройства 3.

Индикатор 5 необходим для визуализации сигнала, выходящего из порогового устройства 3 и усиленного выходным усилителем 4.

Металлический настроечный шунт 16 введен для компенсации влияния рабочего зазора на точность определения наличия металла.

Шкала (не показана) металлического настроечного шунта 17 позволяет регулировать величину рабочего зазора и, таким образом, его компенсировать.

Реализация устройств

Пороговое устройство 3 может быть выполнено, например, по схеме компаратора или триггера (В.И.Лачин, Н.С.Савелов. "Электроника", Ростов-на-Дону, Феникс, 2002 г., стр.436-437).

Выходной усилитель 4, линейные усилители 8 и 13 и усилители-ограничители 9 и 14 могут быть выполнены, например, по схемам усилителей (Г.А.Кардашев. "Виртуальная электроника. Компьютерное моделирование аналоговых устройств", Москва, Горячая линия - Телеком, 2002 г., стр.186-189).

Выпрямители 10 и 15 могут быть выполнены, например, по схемам выпрямителей (Г.А.Кардашев. "Виртуальная электроника. Компьютерное моделирование аналоговых устройств", Москва, Горячая линия - Телеком, 2002 г., стр.85-89).

Устройство для определения наличия металла работает следующим образом.

Катушка индуктивности 7 колебательного контура 6 является чувствительным органом автогенератора 1 и, контактируя с внешней средой, имеющей определенную температуру, создает сигнал определенной частоты и амплитуды. Сигнал, созданный колебательным контуром 6, проходя через выпрямитель 10, передается на первый вход порогового устройства 3.

При этом катушка индуктивности 12 колебательного контура 11, находясь в том же температурном поле, создает сигнал той же частоты и амплитуды, что и колебательный контур 6. Этот сигнал, проходя через выпрямитель 15, передается на второй вход порогового устройства 3.

Таким образом, генератор опорного напряжения 2 компенсирует сигнал, переданный с автогенератора 1, то есть компенсирует влияние температурных помех. На выходе порогового устройства 3 напряжение равно нулю и индикатор 5 не срабатывает.

При появлении металлического тела 17 в поле индуктивности колебательного контура 6 сигнал, поступающий от автогенератора 1, имеет частоту, отличную от сигнала, поступающего от генератора опорного напряжения 2, поэтому напряжение сигнала на выходе порогового устройства 3 становится отличным от нуля. Этот сигнал, проходя через выходной усилитель 4, усиливается и поступает на индикатор, который срабатывает, сообщая о наличии металлического тела 17.

Точность определения наличия металлического тела 17 зависит не только от компенсации температурных помех, но и величины рабочего зазора - расстояния между металлическим телом 17 и катушкой индуктивности 7.

Величина рабочего зазора должна быть оптимальной, так, при большом его значении уменьшается точность обнаружения наличия металлического тела 17, а при малом происходит срыв генерации и обнаружение металлического тела 17 также не происходит.

Работа устройства для определения наличия металла с металлическим настроечным шунтом 16 происходит следующим образом.

При введении в поле индуктивности колебательного контура 11 металлического настроечного шунта 16 сигнал генератора опорного напряжения 2 отличается от сигнала автогенератора 1 и на выходе порогового устройства 3 напряжение отличается от нуля; индикатор 5 срабатывает.

При появлении в поле индуктивности колебательного контура 6 металлического тела 17 сигнал становится равным сигналу, поступающему от генератора опорного напряжения 2, и на выходе порогового устройства 3 напряжение становится равным нулю; индикатор 5 не срабатывает, что свидетельствует о наличии металлического тела 17.

Выполнение металлического настроечного шунта 16 из металла той же группы, что и металлическое тело 17, позволяет повысить точность обнаружения наличия металла.

Применение предлагаемой конструкции устройства для определения наличия металла дает возможность значительно расширить область применения данных средств обнаружения металла, так как позволяет правильно интерпретировать данные и повысить точность определения наличия металла в условиях большого разброса температур (от -20°С до +70°С ( T=90°С)).

Одинаковая конфигурация автогенератора 1 и генератора опорного напряжения 2 и близкое расположение их колебательных контуров 6 и 7 соответственно (при отсутствии взаимного влияния, экранирования и проникания полей рассеивания) способствуют возникновению одинаковых сигналов на выходе автогенератора 1 и генератора опорного напряжения, что позволяет в значительной степени не вызывать ложных срабатываний, обусловленных температурными изменениями.

Применение предлагаемого устройства для определения наличия металла позволяет увеличить рабочий зазор до 40 мм не за счет увеличения размеров колебательного контура 6, а за счет введения в поле индуктивности колебательного контура 11 металлического настроечного шунта 16.