Высокоскоростной инициатор с емкостным датчиком цели

Высокоскоростной инициатор с емкостным датчиком цели

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к конструкции высокоскоростного инициатора с емкостным датчиком цели, реагирующего на сближение и контакт с внешними телами.

Задачей, на решение которой направлено данное заявляемое изобретение, является создание конструкции, безопасной в обращении и стойкой к воздействию высокочастотных электромагнитных полей.

Известна конструкция емкостного датчика цели (см. патент RU 2109248, 20.04.1998 г.), содержащая источник питания, схему защиты от несанкционированного срабатывания, соединенную с источником питания и содержащую RC-цепочку, два изолированных электрода, которые вместе с импульсным генератором переменного напряжения входят в схему, чувствительную к изменению емкости между электродами и соединенную со схемой детектирования выходящего с импульсного генератора сигнала, последняя соединена с компаратором, который в свою очередь соединен с исполнительным устройством, контур обратной связи с заданной постоянной времени. Схема защиты от несанкционированного срабатывания задействуется при включении питания до выхода на рабочий режим. В качестве импульсного генератора переменного напряжения использован генератор импульсов с изменяющейся, в зависимости от величины емкости между электродами, амплитудой. Входная емкость шунтирована ключом импульсного генератора и подключена через резистор к выходу усилителя напряжения обратной связи и к выходу компаратора напряжения. Выход компаратора подключен к одному из резисторов двухвходовой интегрирующей RRC-цепочки, вторым резистором подключенной к источнику питания. Конденсатор RRC-цепочки соединен с входом порогового элемента и входом усилителя через инерционное звено RC-цепочки, конденсатор которой одним выводом соединен с источником питания. Выход порогового элемента подключен к исполнительному устройству.

Недостатком этой конструкции является нечувствительность датчика цели к изменению выходной емкости при определенных скоростях, недостаточная помехозащищенность (амплитудная модуляция подвержена электромагнитным возмущениям), отсутствует защита от несанкционированного срабатывания при включении питания после выхода на рабочий режим и при снижении питания ниже допустимого уровня, недостаточная устойчивость за счет включения в конструкцию обратной связи и аналоговых элементов в схеме, чувствительной к изменению емкости.

Известна конструкция другого высокоскоростного инициатора с емкостным датчиком цели (патент RU 2415376, 27.03.2011 г.), которая частично устраняет недостатки предыдущего аналога и выбрана в качестве наиболее близкого аналога. Данный высокоскоростной инициатор включает источник питания, схему защиты от несанкционированного срабатывания, соединенную с источником питания и содержащую RC-цепочку, два изолированных электрода, которые вместе с импульсным генератором переменного напряжения входят в схему, чувствительную к изменению емкости между электродами и соединенную со схемой детектирования выходящего с импульсного генератора сигнала, последняя соединена с компаратором, который в свою очередь соединен с исполнительным устройством. В качестве импульсного генератора использован генератор прямоугольных импульсов с постоянной амплитудой и изменяющейся, в зависимости от величины емкости между электродами, частотой, а в схему детектирования сигнала, выходящего с импульсного генератора, включен частотный детектор, выход которого подключен к компаратору через усилитель напряжения низкочастотного выходного сигнала, в состав которого входит полосовой фильтр, при этом исполнительное устройство соединено со схемой защиты от несанкционированного срабатывания, в которой RC-цепочка выполнена в виде интегрирующего звена и в которую входит по крайней мере один блокирующий транзисторный ключ.

Недостатком ближайшего аналога является недостаточная его защита от воздействия электромагнитных полей, что накладывает ограничения на условия его хранения, транспортировки и применения при воздействии электромагнитных полей (ЭМП) искусственного и естественного происхождения.

Поражающее действие ЭМП на высокоскоростные инициаторы обусловлено возбуждением в их электрических цепях под действием внешних полей паразитных токов и напряжений (наводок). Наводки в цепях высокоскоростного инициатора подразделяются на два типа:

- индуктивные наводки (трансформация ЭМП в наводки происходит внутри выделенного объема, ЭМП попадают внутрь объема через стенки корпусов, технологические стыки, щели и отверстия);

- кондуктивные наводки (трансформация ЭМП в наводки происходит вне выделенного объема, и они попадают внутрь по электрическим проводам, заземляющим проводникам, металлическим деталям, неэлектрическим коммуникациям).

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение безопасности обращения с высокоскоростным инициатором и сохранение его работоспособности в условиях воздействия электромагнитных полей путем подавления наведенных электромагнитными полями токов в электрических цепях высокоскоростного инициатора.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в конструкцию высокоскоростного инициатора с емкостным датчиком цели, включающую источник питания, два изолированных электрода датчика цели, которые вместе с генератором прямоугольных импульсов с постоянной амплитудой и изменяющейся частотой входят в схему, чувствительную к изменению емкости между этими электродами и соединенную со схемой детектирования сигналов, выходящих с генератора прямоугольных импульсов, последняя, в свою очередь, соединена с исполнительным устройством, дополнительно введено устройство защиты цепи связи генератора с одним из электродов датчика цели от воздействия электромагнитных помех радиочастотного диапазона, работающее в диапазоне частот, превышающих рабочий диапазон частоты датчика цели, и включающее проходной конденсатор, резистор и экран, охватывающий резистор, который через проходной конденсатор соединен со схемой, чувствительной к изменению емкости между электродами, при этом другой электрод датчика цели выполнен в виде цельной оболочки, а проходной конденсатор размещен на его поверхности и имеет с ним, как и экран, круговой электроконтакт, причем резистор по отношению к экрану размещен с зазором, величина которого не более 1/2 длины резистора.

Применение в конструкции высокоскоростного инициатора устройства защиты цепи связи генератора с одним из электродов датчика цели от воздействия электромагнитных помех радиочастотного диапазона, работающего в диапазоне частот, превышающих рабочий диапазон частоты датчика цели, обеспечивает его работоспособность в условиях воздействия электромагнитных полей, при этом включение в устройство защиты резистора, проходного конденсатора (или фильтра), которые размещают внутри экрана в виде цилиндрической металлической трубы, обеспечивает подавление кондуктивных наводок.

Выполнение электрода датчика в виде цельной оболочки и размещение в ней восприимчивых к воздействию электромагнитных полей элементов высокоскоростного инициатора позволяет обеспечить защиту электрических цепей высокоскоростного инициатора от непосредственного (индуктивного) воздействия ЭМП. При высоких частотах распределение тока по сечению стенки оболочки будет резко неравномерным. По мере распространения поля в толщину металла плотность тока падает. Характеристикой неравномерности служит толщина скин-слоя. За толщину скин-слоя принимают глубину проникновения поля, при которой плотность наведенного тока уменьшатся в е раз по сравнению с плотностью на поверхности. Глубина скин-слоя равна

где ρ, µ - удельное сопротивление и относительная магнитная проницаемость материала корпуса соответственно; µ₀=4π10^-7 Гн/м - магнитная постоянная; µ - относительная магнитная проницаемость материала корпуса; ƒ - частота действующего электромагнитного излучения.

Ослабление высокочастотных ЭМП, вызванное скин-эффектом, равно

где t - толщина стенки корпуса.

Защитный резистор предназначен для ограничения величины наводимых токов в цепи, соединяющей второй электрод со схемой, чувствительной к изменению емкости между электродами.

Проходной конденсатор (фильтр) обеспечивает стекание тока наводки из цепи, соединяющей один из электродов со схемой, чувствительной к изменению емкости между электродами, на внешнюю поверхность экрана.

Установка проходного конденсатора (фильтра) на другом электроде, с обеспечением кругового электрического контакта с ним, а также обеспечение кругового электроконтакта экрана с этим электродом является необходимым условием эффективной работы проходного конденсатора.

Размещение элементов схемы подавления наведенных токов в цилиндрическом экране с обеспечением изоляционного зазора между экраном и поверхностью резистора, не превышающего по крайней мере 1/2 длины тела резистора, позволяет устранить ухудшение токоограничивающих свойств резистора за счет шунтирующего действия паразитной емкости между одним из электродов и цепями, связывающими резистор со схемой, чувствительной к изменению емкости между электродами, а также шунтирующего действия собственной емкости защитного резистора. На частотах, когда входное сопротивление проходного конденсатора приобретает индуктивный характер, эти емкости могут резонировать с проходным конденсатором, сводя защитное действие резистора на нет. Следовательно, без экрана резистор обеспечивает защиту только в относительно узком диапазоне частот (верхняя граничная частота защищаемого диапазона лежит ниже первого резонанса проходного конденсатора). При более высоких частотах из-за паразитных связей появляются окна прозрачности, где защитные свойства резистора практически отсутствуют.

Влияние паразитной емкости устраняется за счет того, что емкостной ток через паразитную емкость попадает на экран и по нему стекает на электрод емкостного датчика. Наличие кругового контакта между экраном и электродом исключает появление наводок на входе схемы, чувствительной к изменению емкости между электродами, обусловленных протеканием емкостного тока по экрану.

Исключение вредного влияния собственной емкости резистора устраняется за счет того, что обеспечивает условия, при которых в окружающем резистор диэлектрике может распространяться только ТЕМ волна. Для этого изоляционный зазор между экраном и поверхностью резистора выбирается по крайней мере в 2 раза меньше длины резистора. Зазор между экраном и резистором можно рассматривать как волновод. Ответственными за паразитную емкостную связь являются поперечные магнитные волны. На частотах ниже критической, которая составляет , где c - скорость света в вакууме; δ - зазор между резистором и экраном; ε - относительная диэлектрическая проницаемость изоляции между резистором и экраном, эти волны не могут распространяться и быстро затухают. Затухание это равно

где l - длина резистора.

При выбранном соотношении между величиной изоляционного зазора и длиной резистора затухание поперечных магнитных волн составляет

Это эквивалентно такому же ослаблению влияния паразитной емкостной связи.

На фиг. 1 приведена конструктивная схема высокоскоростного инициатора с емкостным датчиком цели; на фиг. 2 приведена зависимость коэффициента экранирования высокочастотных электромагнитных полей от частоты, где: 1 - металлический колпак (один из электродов); 2 - корпус (другой электрод); 3 - защитный резистор; 4 - проходной конденсатор; 5 - экран; 6 - схема, чувствительная к изменению емкости между электродами, с источником питания, схемой защиты от несанкционированного срабатывания, схемой детектирования выходящего с импульсного генератора сигнала, компаратором и исполнительным устройством; 7 - проводники.

Примером конкретного исполнения может служить высокоскоростной инициатор с емкостным датчиком цели. Электродами, между которыми измеряется емкость, служат: металлический колпак 1 и корпус высокоскоростного инициатора 2. Они изолированы друг от друга вставкой из диэлектрического пресс-материала. Корпус высокоскоростного инициатора выполнен в виде цилиндрической оболочки из латуни ЛС59-1 (толщина стенки не менее 1 мм), и в его внутреннем объеме расположены: схема 6, чувствительная к изменению емкости между электродами с источником питания, схемой защиты от несанкционированного срабатывания, схемой детектирования выходящего с импульсного генератора сигнала; компаратором, исполнительным устройством. Колпак 1 через отверстие в корпусе 2 при помощи резистора 3 (С2-10-0,125-162 Ом±1,0%-В-ОЖ0.467.072ТУ), проходного конденсатора 4 (К10-81 54 пФ±20% МП0-1 АЖЯР.673511.006ТУ) и проводников 7 соединен со схемой, чувствительной к изменению емкости между электродами. Проходной конденсатор по всему периметру подпаян к буртику, сформированному вокруг отверстия в корпусе 2 высокоскоростного инициатора. Резистор 3 и проходной конденсатор 4 размещены внутри экрана 5, выполненного в виде металлической трубы внутренним диаметром 6 мм. Свободное пространство внутри экрана заполнено компаундом. Один торец экрана по всему периметру припаян к корпусу высокоскоростного инициатора 2.

Конструктивная емкость резистора относительно экрана 5 составляет

где - электрическая постоянная; ε_iz=4 - относительная диэлектрическая проницаемость изоляции; D_pr=2 мм - внешний диаметр защитного резистора; d_sc=6 мм - внутренний диаметр защитного резистора; l_sc=6 мм - длина защитного резистора.

Работает система защиты от ЭМП следующим образом.

Латунный корпус 2 высокоскоростного инициатора обеспечивает защиту электрических цепей высокоскоростного инициатора от непосредственного (индуктивного) воздействия ЭМП. При выбранной в данном примере толщине стенки корпуса 2 коэффициент экранирования высокочастотных электромагнитных полей будет не хуже

где ρ=7·10^-8 Ом·м - удельное сопротивление латуни; t=10^-3 м.

На нижней границе радиочастотного диапазона (1 МГц) коэффициент экранирования высокочастотных электромагнитных полей составляет 66 дБ и далее он растет, как показано на фиг. 2

Электрод 1 образует непреднамеренную антенну, преобразовывающую воздействующие ЭМП в кондуктивные наводки. В приведенном примере электрод 1 имеет антенную емкость С_а=15пФ. Индуктивность цепи, соединяющей электрод 1 со схемой, чувствительной к изменению емкости, равна

где h=0,04 м - суммарная длина проводников и тела резистора.

Основная резонансная частота непреднамеренной антенны 1 равна

Высшие резонансные частоты антенны 1 определяются ее размерами и составляют

Напряжение холостого хода, развиваемое на выходе схемы защиты, при воздействии ЭМП на резонансной частоте равно

где Е_m - напряженность воздействующего поля; R_r - сопротивление излучения антенны; R_pr - сопротивление защитного резистора; С_pr - емкость проходного конденсатора 4; С_а - антенная емкость колпака 1; h_col=0,04 м - высота колпака 1.

Напряжение, развиваемое на выходе непреднамеренной антенны 1, при отсутствии схемы подавления наводок, равно

Показателем эффективности защитного действия схемы подавления наводок является отношение

Рассматриваемая непреднамеренная антенна 1 на основной резонансной частоте является электрически малой, и ее сопротивление излучения можно оценить по формуле

После подстановки численных значений получаем

Таким образом, наличие схемы подавления наводок снижает потенциальную опасность от непреднамеренной антенны 1 на основной резонансной частоте, по крайней мере в 12 раз.

Более высокие частоты удовлетворяют условию поэтому на этих частотах защитный резистор 3 в экране 5 начинает работать как коаксиальная линия с потерями и вносит дополнительное ослабление наводок.

Эффективность предложенных мер защиты для рассматриваемого примера конструктивного исполнения подтверждена также результатами испытаний.

Высокоскоростной инициатор с емкостным датчиком цели, включающий источник питания, два изолированных электрода датчика цели, которые вместе с генератором прямоугольных импульсов с постоянной амплитудой и изменяющейся частотой входят в схему, чувствительную к изменению емкости между этими электродами и соединенную со схемой детектирования сигналов, выходящих с генератора прямоугольных импульсов, последняя, в свою очередь, соединена с исполнительным устройством, отличающийся тем, что в конструкцию высокоскоростного инициатора дополнительно введено устройство защиты цепи связи генератора с одним из электродов датчика цели от воздействия электромагнитных помех радиочастотного диапазона, работающее в диапазоне частот, превышающих рабочий диапазон частоты датчика цели, и включающее проходной конденсатор, резистор и экран, охватывающий резистор, который через проходной конденсатор соединен со схемой, чувствительной к изменению емкости между электродами, при этом другой электрод датчика цели выполнен в виде цельной оболочки, а проходной конденсатор размещен на его поверхности и имеет с ним, как и экран, круговой электроконтакт, причем резистор по отношению к экрану размещен с зазором, величина которого не более 1/2 длины резистора.