RU2247401C1

RU2247401C1 - Device for transformation of parameters of variable- induction pickups

Info

Publication number: RU2247401C1
Application number: RU2004108654/28A
Authority: RU
Inventors: В.И. Смирнов (RU); В.И. Смирнов; М.Г. Ильин (RU); М.Г. Ильин; Д.В. Чернов (RU); Д.В. Чернов
Priority date: 2004-03-23
Filing date: 2004-03-23
Publication date: 2005-02-27

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: the device has a pulse generator, whose output is connected to the measuring and reference arms connected to the measuring and reference arms of the variable-induction pickup, circuit providing for separation of the pulse of mismatch between the durations of the transparent processes in the measuring and reference arms. The duration of the mismatch pulse is determined by the difference of the parameters of the inductance coils of the measuring and reference arms. Each arm of the pickup has an inductance coil, transistor and a capacitor. The transistor bases are connected to the output of the pulse generator. The signal ends of the inductance coils are connected to the transistor emitters and to the comparison inputs of the comparators. The other ends of the coils are connected to a common bus. Capacitors are cut in between the transistor collectors and emitters. The collectors of both transistors are connected to the voltage source.

EFFECT: enhanced sensitivity.

3 dwg

Description

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.The invention relates to measuring equipment and can be used in process control systems that measure mechanical and magnetic quantities using inductive type sensors.

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.Among the existing devices for converting the parameters of inductive sensors there are devices whose principle of operation is based on the conversion of the sensor parameters to the duration of the transient process (Shlyandin V.M. Digital measuring devices. - M.: Higher school, 1981). These devices are characterized by high speed in comparison with similar devices using bridge circuits or circuits based on an oscillatory LC circuit, although they are inferior to the latter in sensitivity and measurement accuracy.

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.The closest in technical essence to the claimed invention is a device for converting parameters of sensors of inductive and resistor types selected as a prototype (RF Patent No. 2168728 Method and device for converting signals from sensors of inductive and resistor types / B.I. No. 16, 2001). In this device, the inductive sensor consists of measuring and supporting arms, each of which includes a parallel connected inductor, a resistor and a diode with a long recovery time of the inverse resistance. A short-term current pulse excites transients in the measuring and supporting arms of the sensor, the duration of which depends on the parameters of the inductors. Using the comparator and the “Exclusive OR” circuit, a mismatch pulse is extracted, the duration of which is converted into voltage using the integrator and then to the digital code using the ADC.

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.The prototype and the claimed invention have the following similar features: both use the same principle of operation, based on the conversion of the sensor parameters into the duration of the transient process; in both devices, the sensor consists of measuring and supporting arms, each of which contains an inductor; in both devices, the difference in the durations of transients in the measuring and supporting arms is converted to the duration of the mismatch pulse.

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.The disadvantage of the prototype is that the use of parallel-connected inductors, resistors and diodes in the measuring and supporting arms of the sensor, allowing to ensure high speed of the device, does not make it possible to obtain high sensitivity inherent in devices using bridge circuits or circuits based on an oscillating LC circuit.

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.The technical result is an increase in the sensitivity of the converter of parameters of inductive sensors - is achieved by the fact that, unlike the prototype, in the inventive device, each of the sensor arms contains a transistor T _i (i = 1, 2), to the emitter of which an inductor L _i is connected, and between the collector and the emitter included a capacitor C _i (figure 1). The supply of a short-term electrical pulse U ₀ to the base of transistors T ₁ and T ₂ causes transients in the measuring and supporting arms of the sensor (signals U ₁ and U ₂ ), the duration of which depends on the parameters of the inductors. The sensitivity of the converter is determined by the ratio Δτ / ΔL, where Δτ and ΔL change the duration of the transient process and the change in the inductance of the coil, respectively. As shown by the results of circuit simulation, the sensitivity of the claimed invention is significantly higher than that of the prototype device.

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.The block diagram of the device shown in figure 2. The device includes a pulse generator 1, the output of which is connected to the transistor bases of the measuring and supporting arms of the sensor T ₁ and T ₂ , the signal ends of the inductors L ₁ and L _{2 are} connected to the emitters of the transistors, the other ends of the coils are connected to the common bus, and between the collectors and transistors emitters included capacitors C ₁ and C ₂ , while the collectors are connected to a voltage source + U _n ; comparators 2 and 3, the first comparison inputs of which are connected to the signal ends of the sensor inductors, and the second comparison inputs - with a common bus; two JK triggers 4 and 5, the clock inputs of which are connected to the outputs of the comparators, the reset inputs of the triggers are with the output of the pulse generator, and the outputs of the triggers are with two inputs of the “Exclusive OR 6” circuit; “Logical AND” circuit 7, one input of which is connected to the output of the “Exclusive OR” circuit, and the other input is connected to the output of the counter pulse generator 8; the set of series-connected counters 9 and 10, the reset inputs of which are connected to the output of the pulse generator, the clock input of the first counter - with the output of the logic AND circuit, and the output end of the count of the first counter - with the clock input of the second counter.

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.The operation of the Converter explain the timing diagram of the voltages presented in figure 3. An electric pulse U ₀ excites transients U ₁ and U ₂ in the measuring and supporting arms of the sensor. The duration of the transition processes τ ₁ and τ ₂ , determined by the time of transition of the voltage U ₁ and U ₂ through the zero level, depend on the parameters of the inductors L ₁ and L ₂ . The comparator 2 of the measuring arm converts the analog signal U ₁ into pulses U ₃ TTL logic. A similar conversion is carried out by the comparator 3 of the support arm. Using the JK-trigger 4, which is set to the initial state by the pulse U ₀ , a point in time τ ₁ at which the output signal of the trigger U ₄ takes on the value of log _{1 is} isolated. A similar conversion is carried out by trigger 5, highlighting the duration of the transient process in the support arm, i.e. point in time τ ₂ at which the output signal of trigger 5 takes the value of log. 1. Using the “Exclusive OR” circuit 6, a mismatch pulse U ₅ , the duration of which is determined by the difference in the parameters of the inductance coils of the measuring and reference arms of the sensor, is isolated from the signals from the outputs of the triggers. The mismatch pulse duration is converted into a digital code using the “Logical I” circuit 7, to one of the inputs of which a mismatch pulse is received, and to the other, the counting pulses from the output of the counting pulse generator 8. The pulses from the output of the “Logical I” circuit are input counter 9. When the counter 9 overflows, the corresponding overflow pulse goes to the input of the counter 10, which allows to expand the digit capacity of the digital code. The installation of the counters in the initial state carries out a pulse U ₀ from the output of the generator 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.The positive effect of this technical solution is that the use of a transistor with an inductor in the emitter circuit and a capacitor connected between the collector and the emitter as a sensing element, instead of a sensing element made of inductance coil, resistor and diode connected in parallel, can significantly increase the sensitivity of the converter parameters of inductive sensors.

Claims

A device for converting the parameters of inductive sensors, including a pulse generator, the output of which is connected to the measuring and supporting arms of the inductive sensor; two comparators, the first comparison inputs of which are connected to the signal ends of the sensor inductors, and the second comparison inputs - with a common bus; two JK-flip-flops, whose clock inputs are connected to the outputs of the comparators, trigger reset inputs - with the output of the pulse generator, and trigger outputs - with two inputs of the “Exclusive OR” circuit; “Logical AND” circuit, one input of which is connected to the output of the “Exclusive OR” circuit, and the other input is connected to the output of the counter pulse generator; a set of series-connected counters, the reset inputs of which are connected to the output of the pulse generator, the clock input of the first counter - with the output of the logic AND circuit, and the output end of the count of the first counter - with the clock input of the second counter, characterized in that each of the sensor arms includes an inductance coil, a transistor and a capacitor, while the bases of the transistors are connected to the output of the pulse generator, the signal ends of the inductors are connected to the emitters of the transistors and to the compa radiators, and the other ends of the coils to the common bus, capacitors are connected between the collectors and emitters of the transistors, and the collectors of both transistors are connected to a voltage source.