МЕТАЛЛОДЕТЕКТОР Российский патент 2004 года по МПК G01R33/02 G01V3/08 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может использоваться в пищевой и лесоперерабатывающей промышленности для выявления металла в полезном продукте.

Известные металлодетекторы [1] содержат последовательно соединенные генератор, индукционный датчик, усилитель, фазовый детектор, усилитель-фильтр, компаратор, исполнительный орган. Недостаток устройств такого типа состоит в относительно низкой чувствительности, которая обусловлена отсутствием компенсации температурных и временных изменений в конструкции датчика.

Известно также устройство-прототип [2], которое содержит последовательно включенные генератор, трансформатор, индукционный датчик, содержащий передающую катушку и геометрически равноудаленные от передающей катушки выходные катушки для обеспечения нулевого потенциала в зоне датчика при отсутствии металла, предварительный усилитель, два фазовых детектора, выходами соединенные с цепью последовательно включенных усилителя-фильтра, компаратора, триггера и исполнительного органа, первые входы детекторов соединены с выходом трансформатора соответственно непосредственно и через фазовращатель, а их вторые входы объединены.

Прототип слишком сложный, ибо содержит много блоков. Это снижает надежность, требует больших затрат на производство, отладку.

Целью настоящего изобретения является упрощение и повышение чувствительности металлодетектора.

Поставленная цель достигается за счет того, что он снабжен двумя интеграторами и двумя перемножителями, первые входы которых соединены соответственно с выходами интеграторов, их вторые входы соединены с выходами трансформатора и фазовращателя соответственно, выходы перемножителей соединены с суммирующими входами предварительного усилителя, выход которого подключен ко вторым входам детекторов через ключ, управляющий вход которого соединен с выходом триггера, при этом выходные катушки индукционного датчика расположены с двух сторон входной катушки и соединены между собой последовательно и встречно, а их выводы подключены к разным выводам предварительного усилителя.

Дополнительное отличие состоит в том, что входы интеграторов соединены с выходами фазовых детекторов через амплитудные ограничители.

Цель - повышение чувствительности достигается также за счет того, что активные части входной и выходных полукатушек размещены под углом друг к другу, причем угол между выходными катушками в два раза больше, чем угол между любой из них и входной катушкой.

Та же цель достигается за счет того, что соединенные между собой выводы выходных катушек индукционного датчика подключены к блоку связи, второй вывод которого соединен с заземлением.

Достижению цели изобретения служит выполнение блока связи по одному из вариантов: резистора, конденсатора, параллельного соединения резистора и конденсатора или провода.

Схема металлодетектора показана на фиг.1 и 2.

Здесь обозначены:

1 - генератор,

2 - трансформатор,

3 - индукционный датчик,

4 - предварительный усилитель,

5 - ключ,

6, 7 - фазовые детекторы,

8 - усилитель-фильтр,

9 - компаратор,

10 - триггер,

11 - исполнительный орган,

12 - фазовращатель (сдвиг 90°),

13, 14 - перемножители,

15, 16 - интеграторы,

17 - амплитудные ограничители.

Генератор 1, трансформатор 2, индукционный датчик 3, предварительный усилитель 4, ключ 5 включены последовательно, то есть так, что выход предыдущего элемента соединен с входом последующего. Выход ключа 5 соединен с входами двух фазовых детекторов 6 и 7, а последние своими выходами соединены с входами усилителя-фильтра 8. Каждый детектор 6 и 7 соединен выходом с соответствующим интегратором 15 и 16. Усилитель-фильтр 8, компаратор 9, триггер 10, исполнительный орган 11 образуют последовательную цепь.

Металлодетектор работает таким образом.

Генератор 1 создает напряжение высокой частоты (десятки килогерц), которое через трансформатор 2 подается на передающую катушку индукционного датчика 3. Выходные катушки этого датчика геометрически равноудалены от передающей катушки. Поэтому при отсутствии металла в зоне датчика на выходе этого датчика 3 имеется нулевой сигнал. Ключ 5 замкнут, на выходе фазовых детекторов 6 и 7 сигнал также равняется нулю. Триггер 10 находится в отключенном состоянии.

Работа металлодетектора сопровождается воздействием помех. Такими могут быть изменения геометрических размеров индукционного датчика под воздействием температуры и т.п.

Вследствие воздействия помех баланс датчика 3 может быть нарушен. Сигналы, которые появились под воздействием помех на выходах 4, 5, 6, 7, приводят к накоплению сигналов на выходе интеграторов 15, 16. Эти сигналы перемножаются в перемножителях 13, 14 с синусоидальными сигналами с выхода трансформатора 1 и фазовращателя 12. Полученные на выходе умножителей синусоидальные сигналы подают на суммирующие входы предварительного усилителя 4 для компенсации помех. Постоянная времени интеграторов - единицы секунд при продолжительности полезного сигнала порядка 0,1-0,25 с, поэтому при появлении полезного сигнала, вызванного наличием в зоне контроля металла, цепь обратной связи не оказывает влияния, так как интеграторы 15 и 16 за это время практически не изменяет свой выходной сигнал.

Полезный сигнал приводит к появлению на выходе фазовых детекторов больших сигналов, которые суммируются, фильтруются и усиливаются усилителем 8. Так как этот сигнал превышает уставку компаратора 9, последний запускает триггер 10, что включает в свою очередь исполнительный орган 11. Орган 11 останавливает механизм (конвейер и т.п.). Для следующего пуска после изъятия металла следует сбросить триггер 10. Цепь сброса не показана условно. При срабатывании триггера 10 размыкается ключ 5, чем выключается дальнейшая работа интеграторов 15, 16. Интеграторы 15, 16 "зависают", сохраняя ранее накопленный сигнал и обеспечивая компенсацию разбаланса на входе усилителя 4.

Для уменьшения влияния полезного сигнала на выходные сигналы интеграторов 15, 16 за время его нарастания, на фиг.2 используются амплитудные ограничители 17. Уставка последних в несколько раз (в относительных единицах) меньше уставки компаратора 9. Это еще в большей степени ослабляет указанное влияние.

Описанная выше схема имеет отличную от прототипа структуру, в которой по сравнению с известной схемой изменено место установки ключа. Вместо двух ключей, использованных в известной схеме, используется один ключ. Кроме того, отсутствуют сложные схемы управления ключами за счет использования других связей. Это существенным образом упрощает как структурную, так и принципиальную схему устройства и повышает его чувствительность.

На фиг.3, 4 представлены схемы, которые иллюстрируют пункт 3 формулы изобретения, а на фиг.5 - п.4. На этих фигурах изображены: 1 - генератор, 2 - трансформатор, 3 - индукционный датчик, 4 -предварительный усилитель, 18 - входная катушка, 19 - выходные катушки, 20 - выявляющий блок, 21 - блок связи.

Генератор 1 через трансформатор 2 подключен к входу индукционного датчика 3 - к его входной (возбуждающей) катушке 18. Две выходные катушки 19, соединенные последовательно, образуют выходную катушку - выход датчика 3, который подключен к входу усилителя 4. Выход усилителя 4 соединен с входом выявляющего блока 20. В блок 20 входят элементы из фиг.1 или 2 под номерами 5-17. При этом сохраняется та же структура связей между элементами. На фиг.3 представлен общий вид индукционного датчика 3, а на фиг.4 - вид этого же датчика сверху по стрелке А фиг.3. Структура датчика 3 не отличается от известной. Однако активные части выходных катушек 19 по отношению к входной катушке 18 размещены под углом а (порядка 10-30°). Катушки 19 между собой соединены встречно и расположены по обе стороны от входной, возбуждающей катушки 18. В прототипе эти катушки активными частями (верхней и нижней) геометрически параллельны межу собой. Поэтому при прохождении сквозь окно датчика продолговатого предмета (например, гвоздя), размещенного параллельно плоскости катушки 18, сигнал датчика будет таким же, как для шара диаметром, равным диаметру гвоздя. При косом размещении катушек 19 такая ситуация исключена, так как упомянутый предмет при любом его размещении будет расположен под углом к одной из приемных катушек 19. Это обстоятельство и повышает чувствительность. При наличии металлического предмета в окне датчика в его выходной катушке появляется сигнал, который усиливается усилителем 4 и вызывает срабатывание выявляющего блока 20. При отсутствии такого предмета сигналы, индуктированные в катушках 19, вследствие трансформации с входной катушки 18, равны и взаимокомпенсируются.

Поэтому на выходе датчика 3 имеется нулевой сигнал. В схеме фиг.5 соединенные между собой выводы выходных катушек индукционного датчика 3 подключены к блоку связи 21, второй вывод которого соединен с заземлением.

Работа устройства происходит аналогично работе устройства, изображенного на фиг.3. Металлодетекторы работают в условиях значительных электромагнитных полей, которые генерируются тиристорным электроприводом, электросваркой, блуждающими токами и т.п. Эти наводки могут проникать в выходные катушки 19 и дальше в усилитель 4, выявляющий блок 20. Это вынуждает увеличивать порог компаратора, то есть снижать чувствительность. Связь среднего узла датчика с заземлением приводит к снижению помех за счет замыкания их по цепям, минуя входы усилителя 4.

На фиг.6, 7, 8, 9 представлены блоки связи в раскрытом виде. Здесь: 22 - резистор, 23 - конденсатор, 24 - перемычка (провод). Конкретный вид блока связи зависит от размещения датчика 3 и источника помех. Выбор вида блока 21 проходит при пусконаладочных роботах путем перебора вариантов.

Снижение уровня помех дает возможность повышения чувствительности металлодетектора.

Источники информации

1. Патент РФ №2098848 С1, G 01 V 3/11, заявл. 20.09.94, опубл.10.12.97.

2. Патент Великобритании №2025630, G 01 V 17/06, заявл. 10.11.77, опубл. 23.01.80.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в пищевой и деревоперерабатывающей промышленности для выявления металла. Технический результат заключается в упрощении электрической схемы. Генератор подает сигнал на индукционный датчик, который при наличии металла в зоне контроля подает сигнал на усилитель. Через ключ, два фазовых детектора, усилитель-фильтр, компаратор, триггер запускается исполнительный орган. При нормальной работе температурный и другой разбаланс катушек индукционного датчика компенсируется за счет подачи синфазной и ортогональной составляющих на вход усилителя от перемножителей, управляемых сигналов разбаланса через интеграторы. Фазовращающее устройство обеспечивает сдвиг 90° для получения ортогонального напряжения. При этом выходные катушки индукционного датчика расположены с двух сторон входной катушки и соединены между собой последовательно и встречно. 7 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Металлодетектор, содержащий последовательно включенные генератор, трансформатор, индукционный датчик, содержащий передающую катушку и геометрически равноудаленные от передающей катушки выходные катушки для обеспечения нулевого потенциала в зоне датчика при отсутствии металла, предварительный усилитель, два фазовые детектора, выходами соединенные с цепью последовательно включенных усилителя-фильтра, компаратора, триггера и исполнительного органа, первые входы детекторов соединены с выходом трансформатора соответственно непосредственно и через фазовращатель, а их вторые входы объединены, отличающийся тем, что он снабжен двумя интеграторами и двумя перемножителями, первые входы которых соединены соответственно с выходами интеграторов, их вторые входы соединены с выходами трансформатора и фазовращателя соответственно, выходы перемножителей соединены с суммирующими входами предварительного усилителя, выход которого подключен ко вторым входам детекторов через ключ, управляющий вход которого соединен с выходом триггера, при этом выходные катушки индукционного датчика расположены с двух сторон входной катушки и соединены между собой последовательно и встречно, а их выводы подключены к разным выводам предварительного усилителя.2. Металлодетектор по п.1, отличающийся тем, что входы интеграторов соединены с выходами фазовых детекторов через амплитудные ограничители.3. Металлодетектор по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что активные части входной и выходных полукатушек размещены под углом друг к другу, причем угол между выходными катушками в два раза больше, чем угол между любой из них и входной катушкой.4. Металлодетектор по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что соединенные между собой выводы выходных катушек индукционного датчика подключены к блоку связи, второй вывод которого соединен с заземлением.5. Металлодетектор по п.4, отличающийся тем, что блок связи выполнен в виде резистора.6. Металлодетектор по п.4, отличающийся тем, что блок связи выполнен в виде конденсатора.7. Металлодетектор по п.4, отличающийся тем, что блок связи выполнен в виде параллельного соединения резистора и конденсатора.8. Металлодетектор по п.4, отличающийся тем, что блок связи выполнен в виде провода.