Устройство для преобразования параметров индуктивных датчиков

Устройство для преобразования параметров индуктивных датчиков

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах контроля технологических процессов, осуществляющих измерения механических и магнитных величин с помощью датчиков индуктивного типа.

Среди существующих устройств преобразования параметров индуктивных датчиков имеются устройства, принцип действия которых основан на преобразовании параметров датчика в длительность переходного процесса (Шляндин В.М. Цифровые измерительные устройства. - М.: Высш. школа, 1981). Данные устройства отличаются высоким быстродействием по сравнению с аналогичными устройствами, использующими мостовые схемы или схемы на основе колебательного LC-контура, хотя и уступают последним по чувствительности и точности измерений.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранное в качестве прототипа устройство преобразования параметров датчиков индуктивного и резисторного типов (Патент РФ №2168728 Способ и устройство преобразования сигналов от датчиков индуктивного и резисторного типов / Б.И. №16, 2001 г.). В данном устройстве индуктивный датчик состоит из измерительного и опорного плеч, каждое из которых включает в себя параллельно соединенные катушку индуктивности, резистор и диод с большим временем восстановления обратного сопротивления. Кратковременный импульс тока возбуждает в измерительном и опорном плечах датчика переходные процессы, длительность которых зависит от параметров катушек индуктивности. С помощью компаратора и схемы “Исключающее ИЛИ” выделяют импульс рассогласования, длительность которого с помощью интегратора преобразуют в напряжение и далее с помощью АЦП - в цифровой код.

У прототипа и заявляемого изобретения имеются следующие сходные признаки: оба используют один и тот же принцип действия, основанный на преобразовании параметров датчика в длительность переходного процесса; в обоих устройствах датчик состоит из измерительного и опорного плеч, каждое их которых содержит катушку индуктивности; в обоих устройствах разность длительностей переходных процессов в измерительном и опорном плечах преобразуется в длительность импульса рассогласования.

Недостатком прототипа является то, что использование в измерительном и опорном плечах датчика параллельно соединенных катушки индуктивности, резистора и диода, позволяя обеспечить высокое быстродействие устройства, не дает возможности получить высокую чувствительность, присущую устройствам, использующим мостовые схемы или схемы на основе колебательного LC-контура.

Технический результат - повышение чувствительности преобразователя параметров индуктивных датчиков - достигается тем, что в отличие от прототипа в заявляемом устройстве каждое из плеч датчика содержит транзистор Т_i (i=1, 2), к эмиттеру которого подключена катушка индуктивности L_i, а между коллектором и эмиттером включен конденсатор С_i (фиг.1). Подача кратковременного электрического импульса U₀ на базу транзисторов T₁ и Т₂ вызывает в измерительном и опорном плечах датчика переходные процессы (сигналы U₁ и U₂), длительность которых зависит от параметров катушек индуктивности. Чувствительность преобразователя определяется отношением Δτ/ΔL, где Δτ и ΔL изменение длительности переходного процесса и изменение индуктивности катушки соответственно. Как показали результаты схемотехнического моделирования, чувствительность у заявляемого изобретения существенно выше, чем у устройства-прототипа.

Структурная схема устройства представлена на фиг.2. Устройство включает в себя генератор импульсов 1, выход которого подключен к базам транзисторов измерительного и опорного плеч датчика T₁ и Т₂, к эмиттерам транзисторов подключены сигнальные концы катушек индуктивности L₁ и L₂, другие концы катушек подключены к общей шине, а между коллекторами и эмиттерами транзисторов включены конденсаторы C₁ и C₂, при этом коллекторы подключены к источнику напряжения +U_n; компараторы 2 и 3, первые входы сравнения которых соединены с сигнальными концами катушек индуктивности датчика, а вторые входы сравнения - с общей шиной; два JK-триггера 4 и 5, тактовые входы которых соединены с выходами компараторов, входы сброса триггеров - с выходом генератора импульсов, а выходы триггеров - с двумя входами схемы “Исключающее ИЛИ 6”; схему “Логическое И” 7, один вход которой соединен с выходом схемы “Исключающее ИЛИ”, а другой вход - с выходом генератора счетных импульсов 8; совокупность последовательно соединенных счетчиков 9 и 10, входы сброса которых соединены с выходом генератора импульсов, тактовый вход первого счетчика - с выходом схемы “Логическое И”, а вывод окончания счета первого счетчика - с тактовым входом второго счетчика.

Работу преобразователя поясняют временные диаграммы напряжений, представленные на фиг.3. Электрический импульс U₀ возбуждает в измерительном и опорном плечах датчика переходные процессы U₁ и U₂. Длительности переходных процессов τ₁ и τ₂, определяемые моментом времени перехода напряжений U₁ и U₂ через нулевой уровень, зависят от параметров катушек индуктивности L₁ и L₂. Компаратор 2 измерительного плеча преобразует аналоговый сигнал U₁ в импульсы U₃ ТТЛ-логики. Аналогичное преобразование осуществляет компаратор 3 опорного плеча. С помощью JK-триггера 4, устанавливаемого в исходное состояние импульсом U₀, выделяют момент времени τ₁, при котором выходной сигнал триггера U₄ принимает значение лог.1. Аналогичное преобразование осуществляет триггер 5, выделяя длительность переходного процесса в опорном плече, т.е. момент времени τ₂, при котором выходной сигнал триггера 5 принимает значение лог.1. С помощью схемы “Исключающее ИЛИ” 6 из сигналов с выходов триггеров выделяют импульс рассогласования U₅, длительность которого определяется разностью параметров катушек индуктивности измерительного и опорного плеч датчика. Преобразование длительности импульса рассогласования в цифровой код осуществляют с помощью схемы “Логическое И” 7, на один из входов которой поступает импульс рассогласования, а на другой - счетные импульсы с выхода генератора счетных импульсов 8. Импульсы с выхода схемы “Логическое И” поступают на вход счетчика 9. При переполнении счетчика 9 соответствующий импульс переполнения поступает на вход счетчика 10, что позволяет расширить разрядность цифрового кода. Установку счетчиков в исходное состояние осуществляет импульс U₀ с выхода генератора 1.

Положительный эффект данного технического решения состоит в том, что использование в качестве чувствительного элемента индуктивного датчика транзистора с катушкой индуктивности в эмиттерной цепи и конденсатора, включенного между коллектором и эмиттером, вместо чувствительного элемента из параллельно соединенных катушки индуктивности, резистора и диода позволяет существенно повысить чувствительность преобразователя параметров индуктивных датчиков.

Устройство для преобразования параметров индуктивных датчиков, включающее в себя генератор импульсов, выход которого соединен с измерительным и опорным плечами индуктивного датчика; два компаратора, первые входы сравнения которых соединены с сигнальными концами катушек индуктивности датчика, а вторые входы сравнения - с общей шиной; два JK-триггера, тактовые входы которых соединены с выходами компараторов, входы сброса триггеров - с выходом генератора импульсов, а выходы триггеров - с двумя входами схемы “Исключающее ИЛИ”; схему “Логическое И”, один вход которой соединен с выходом схемы “Исключающее ИЛИ”, а другой вход - с выходом генератора счетных импульсов; совокупность последовательно соединенных счетчиков, входы сброса которых соединены с выходом генератора импульсов, тактовый вход первого счетчика - с выходом схемы “Логическое И”, а вывод окончания счета первого счетчика - с тактовым входом второго счетчика, отличающееся тем, что каждое из плеч датчика включает в себя катушку индуктивности, транзистор и конденсатор, при этом базы транзисторов соединены с выходом генератора импульсов, сигнальные концы катушек индуктивности подключены к эмиттерам транзисторов и к входам сравнения компараторов, а другие концы катушек - к общей шине, между коллекторами и эмиттерами транзисторов включены конденсаторы, а коллекторы обоих транзисторов подключены к источнику напряжения.