Простой, но надежный детектор поврежденной катушки

Описанная в этой статье схема была первоначально разработана для обнаружения поврежденных конвейерных лент в горнодобывающей промышленности. В конвейерную ленту встроены тонкие катушки. Если ремень начинает разрушаться, он растягивается в поврежденном месте, что приводит к разрыву одного или нескольких витков. Метод обнаружения обрыва катушки заключается в том, чтобы обеспечить магнитную связь «измерительной» катушки с катушками, проходящими в ремне, изменяя таким образом общую индуктивность магнитной пары. Измерительная катушка является частью LC-генератора (Рисунок 1). Когда неповрежденная катушка проходит мимо измерительной катушки, частота генератора изменяется. Если скорость движения конвейерной ленты постоянна, частота генератора модулируется с фиксированной периодичностью. Когда неисправная катушка проходит мимо измерительной катушки, период модуляции (а именно это мы и хотим обнаружить) увеличивается.

Рисунок 1.	Схема генерирует стабильный сигнал, частота которого определяется номиналами компонентов L1, L2 и C1.

Генератор не вырабатывает чистую синусоиду и потребляет много энергии, но стабилен. Он генерирует в большом диапазоне значений L и C, даже при низкой добротности и практически с любым транзистором. Амплитуда не меняется в широкой полосе частот. Частота генерации равна

где L₁ – индуктивность измерительной катушки. R₂ представляет ее сопротивление. L₂ и переключатель S₁ представляют либо неповрежденные, либо разорванные катушки конвейерной ленты. Когда S₁ замкнут, катушки целы, а когда разомкнут – катушки неисправны. Когда связь между измерительной и конвейерной катушками идеальна, это эквивалентно их параллельному соединению, что уменьшает общую индуктивность и увеличивает частоту колебаний.

Теперь проблема заключается в том, как обнаруживать разные частоты с помощью демодулятора ЧМ сигналов или преобразователя частоты в напряжение. Простой способ выполнить эту задачу – пропустить сигнал генератора через соответствующим образом настроенный фильтр нижних частот. Если частотный диапазон генератора находится в начале спада характеристики фильтра, на более высокой частоте будет более высокое затухание. Тогда сигнал ЧМ становится АМ-сигналом, который можно легко демодулировать с помощью детектирования огибающей.

Рисунок 2.	Фильтр нижних частот превращает сигнал генератора в сигнал огибающей.

На Рисунке 2 показан простейший RC-фильтр низких частот, состоящий из элементов R₅ и C₂, который подключен к детектору огибающей на элементах D₁, R₆ и C₃. Чтобы выяснить, имеется ли связь измерительной катушки с внешней катушкой, нужно проверить, находится ли выходное напряжение этой схемы выше или ниже определенного порога. Наилучшее значение порога можно определить экспериментально. Сравнение можно выполнить с помощью аналогового компаратора или микроконтроллера после оцифровки сигнала. Последний метод позволял бы измерять время, прошедшее с момента прохождения последней неповрежденной катушки. На Рисунках 3 и 4 показана реализация простого и надежного аналогового метода, использующего сигнал огибающей для обнаружения прохождения неисправной катушки. Выходной сигнал детектора огибающей содержит пульсации, поэтому для более точной дискриминации по частоте нужна фильтрация нижних частот. В данном примере фильтр на Рисунке 3 делает пульсации незначительными, не ухудшая частотные характеристики системы.

Рисунок 3.	Фильтр нижних частот второго порядка подавляет пульсации на выходе детектора огибающей.

Выходной сигнал фильтра подается на вход компаратора (Рисунок 4). Подстроечным резистором R₁₄ устанавливается значение порога, которое должно находиться в середине между напряжениями, возникающими при наличии связи катушки L₁ с внешней катушкой и при отсутствии связи. Элементы D₂, C₆, R₁₂ и компаратор IC₆ ведут себя как таймер обратного отсчета, настроенный на время, немного превышающее период между прохождением катушек. При прохождении хорошей катушки конденсатор C₆ быстро заряжается до максимального напряжения, а затем медленно разряжается. Если время между последовательными прохождениями неповрежденных катушек меньше определенного максимума, напряжение на конденсаторе C₆ никогда не опустится ниже порога, установленного подстроечным резистором R₁₅, и на выходе компаратора IC₆ будет сохраняться низкий уровень напряжения, зажигающий светодиод D₃. При прохождении поврежденной катушки частота генератора остается прежней, что позволяет напряжению на C₆ упасть достаточно для переключения компаратора и выключения индикаторного светодиода «Все в порядке».

Рисунок 4.	Компаратор IC6 контролирует напряжение на конденсаторе C6 и переключается, когда напряжение на C6 превышает значение, установленное подстроечным резистором R15.

В реальных условиях применения следует зафиксировать состояние выхода, чтобы гарантировать, чтобы оператор заметит режим тревоги. Схема может просто отключать питание конвейерной ленты, давая возможность немедленно произвести ремонт и указывая место возникновения неисправности. В схеме используется всего несколько распространенных компонентов с большими допусками номиналов. Использование транзисторов, операционных усилителей, дискретных линейных и нелинейных компонентов, генераторов, фильтров, демодуляторов, преобразователей и магнитосвязанных схем делает ее отличным учебным пособием. Схема даже может дать некоторое представление о том, как работают современные технологии бесконтактных карт, такие как RFID (радиочастотная идентификация).