CS250809B1

CS250809B1 - Apparatus for detecting the unevenness of the distance of the surface of the moving body from the electrode of the capacitive sensor

Info

Publication number: CS250809B1
Application number: CS237484A
Authority: CS
Inventors: Pavel Bakos
Original assignee: Pavel Bakos
Priority date: 1984-03-29
Filing date: 1984-03-29
Publication date: 1987-05-14

Abstract

Zařízení (14) má kapacitní snímač (1), tvořený pohybujícím se, například rotujícím, tělesem (2), opatřeným výstupkem (18), a vzdáleným o mezeru (17) od elektrod (3 a 4), připojených na vstupy rozladovacího oscilátoru (6). Změna velikosti mezery (17) vyvolá změnu kmitočtu rozlaďovaného oscilátoru (6), jehož výstupní signál je přiveden z kmitočtového modulátoru (10) spojovacím vedením (7) do kmitočtového detektoru (8), jehož výstupní signál se zpracuje v nízkofrekvenčním zesilovači s tvarovačem na elektrické impulsy, používané pro synchronizaci polohy lopatek kompresoru s laser-dopplerovským anemometrem při měření rychlostních polí prostředí. Další použitelnost je pro měření otáček nebo pro bezdotykové měření tlouštky pohybujícího se pásu materiálu nebo pro měření odchylek průměru rotujícího tělesa. Napájení kmitočtového modulátoru (10) ze zdroje (9) a přenos jeho výstupních signálů po společném spojovacím vedení (7) umožňuje oddělovací obvod (11) s impedancemi (12 a13) .The device (14) has a capacitive sensor (1), formed by a moving, for example rotating, body (2), provided with a projection (18), and spaced by a gap (17) from the electrodes (3 and 4), connected to the inputs of the detuning oscillator (6). Changing the size of the gap (17) causes a change in the frequency of the detuned oscillator (6), the output signal of which is fed from the frequency modulator (10) via a connecting line (7) to the frequency detector (8), the output signal of which is processed in a low-frequency amplifier with a shaper into electrical pulses, used for synchronizing the position of the compressor blades with a laser-Doppler anemometer when measuring the velocity fields of the environment. Another application is for measuring revolutions or for non-contact measurement of the thickness of a moving strip of material or for measuring deviations in the diameter of a rotating body. The power supply of the frequency modulator (10) from the source (9) and the transmission of its output signals over a common connecting line (7) is enabled by a separation circuit (11) with impedances (12 and 13).

Description

Vynález se týká zařízení pro zjišťování nerovnoměrnosti vzdálenosti povrchu pohybujícího se tělesa od elektrody kapacitního snímače, zejména povrchu rotujícího tělesa a řeší problém označení místa nerovnoměrnosti přiřazením jemu příslušného elektrického impulsu, odvozeného od změny výstupního kmitočtu rozlaďovaného oscilátoru.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a device for detecting unevenness of the distance between the surface of a moving body and an electrode of a capacitive sensor, in particular the surface of a rotating body.

Dosud známá zařízení pro zjišťování nerovnoměrnosti vzdálenosti povrchu pohybujícího se tělesa jsou založena na několika principech.The prior art devices for detecting the unevenness of the surface distance of a moving body are based on several principles.

Jedno známé zařízení na fotoelektrickém principu osvětluje povrch tělesa v určitém místě zdrojem světla, které se od daného povrchu odráží. Intenzita odraženého světla se snímá světločivným elementem, například fotonkou nebo fotoodporem, jehož výstupní signál je závislý na intenzitě světla dopadajícího na fotocitlivou vrstvu světločivného elementu. Při změně intenzity odraženého světla na výstupu světločivného elementu, nastalé změnou úhlu jeho dopadu nei nerovnost povrchu tělesa, se mění amplituda výstupního signálu, která po zesílení a tvarování generuje impuls označující polohu nerovnoměrnosti povrchu tělesa.One known device based on the photoelectric principle illuminates the surface of the body at a certain location by a light source that reflects from that surface. The intensity of the reflected light is sensed by a luminous element, for example a photocell or a photoresistor, whose output signal is dependent on the intensity of the light incident on the photosensitive layer of the luminous element. As the intensity of the reflected light at the output of the luminous element changes as a result of changing the angle of its incidence or the unevenness of the body surface, the amplitude of the output signal changes, generating a pulse indicating the position of the unevenness of the body surface.

Druhé známé zařízení, založené na principu změny magnetického odporu uzavřeného magnetického obvodu cívky, má nad rotujícím tělesem umístěnu snímací cívku elektromagnetu, jehož magnetický tok se při nerovnoměrnosti povrchu rotačního tělesa mění a tím se mění indukované elektromotorické napětí na svorkách snímací cívky, které je po zesílení a tvarování využitelné na označení místa nerovnoměrnosti povrchu tělesa.The second known device, based on the principle of changing the magnetic resistance of the closed magnetic coil circuit, has a solenoid sensing coil placed above the rotating body, whose magnetic flux changes due to unevenness of the rotating body surface and thereby changes the induced electromotive force at the sensing coil terminals. and shaping usable to indicate the point of unevenness of the body surface.

Třetí známé zařízení pracuje na principu změny dielektrické konstanty. Velikost změny se zjišťuje měřením kapacity například můstkovou metodou, přičemž se změna kapacity převede na změnu amplitudy výstupního signálu, jež je po zesílení a tvarování využitelná na označení místa nerovnoměrnosti povrchu pohybujícího se tělesa.A third known device operates on the principle of changing the dielectric constant. The magnitude of the change is determined by measuring the capacity, for example, by the bridge method, whereby the change in capacity is converted into a change in the amplitude of the output signal, which, after amplification and shaping, can be used to indicate the unevenness of the surface.

Čtvrté zařízení vychází z principu známého zařízení pro zjišťování úhlu zkroucení měřícího hřídele zatíženého přenášením kroutícím momentem. Na otáčejícím se měřícím hřídelí jsou vytvořena dvě ozubená kola, k jejíchž zubům přiléhají výstupky čtyř stojících souosých elektricky izolovaných ozubených věnců, vodivě spojených s kmitočet určujícími vstupy dvou kmitočtových modulátorů, jejichž výstupy jsou přes kmitočtové detektory připojeny na vstupy měřiče fáze. Pří otáčení se střídavě dostává zub ozubeného kola do polohy proti zubům nebo proti zubovým mezerám jemu příslušných ozubených věnců.The fourth device is based on the principle of a known device for detecting the torsion angle of a measuring shaft loaded by torque transmission. Two gear wheels are formed on the rotating measuring shaft, the teeth of which are adjacent to the projections of four standing coaxial electrically insulated gear rings, conductively coupled to the frequency determining inputs of the two frequency modulators, the outputs of which are connected via frequency detectors to the phase meter inputs. When rotating, the gear tooth alternately moves into position against the teeth or tooth gaps of its respective gear rings.

Tím se mění kmitočet kmitočtových modulátorů tak, že modulační signál výstupního signálu z každého kmitočtového modulátoru obsahuje informaci o vzájemné poloze zubů ozubeného kola proti zubům ozubených věnců. Výstupní signál z kmitočtového modulátoru je přiveden na vstup kmitočtového detektoru, na jehož výstupu je detekcí obnovený modulační signál výstupního signálu kmitočtového modulátoru. Propojení mezi zdrojem napájecích napětí a kmitočtovými modulátory je oddělené od propojení mezi kmitočtovými modulátory a kmitočtovými detektory.Thereby, the frequency of the frequency modulators is varied such that the output signal modulation signal from each frequency modulator includes information about the relative position of the gear teeth against the ring gear teeth. The output signal from the frequency modulator is applied to the input of the frequency detector, at the output of which the detected modulation signal of the output signal of the frequency modulator is detected. The connection between the power supply and frequency modulators is separate from the connection between frequency modulators and frequency detectors.

Všechna uvedená zařízení sestávají z vlastního snímače místa nerovnoměrnosti povrchu tělesa a z vyhodnocovacího zařízení s elektrickými elementy zapojenými do obvodu. Každé z uvedených zařízení vykazuje určité nevýhody.All the above devices consist of a sensor of the unevenness of the body surface and an evaluation device with electrical elements connected to the circuit. Each of these devices has certain disadvantages.

Nevýhodou prvního zařízení je nutnost zachování optických vlastností jak povrchu samotného rotujícího tělesa, tak i prostoru mezi jeho povrchem a snímačem. Rozsah pracovních teplot prostředí je úzký.A disadvantage of the first device is the necessity to preserve the optical properties of both the surface of the rotating body itself and the space between its surface and the sensor. The operating temperature range is narrow.

Nevýhodou druhého zařízení je nutnost použití feromagnetického materiálu na výrobu rotujícího tělesa. Amplituda výstupního signálu snímače je závislá na rychlosti pohybu, popřípadě na obvodové rychlosti rotujícího tělesa.A disadvantage of the second device is the need to use a ferromagnetic material to produce a rotating body. The amplitude of the output signal of the sensor is dependent on the speed of movement or peripheral speed of the rotating body.

Nevýhodou třecího zařízení je poměrně malá citlivost na změnu dielektrické permitivity materiálu tělesa a tím i malá citlivost zařízení.The disadvantage of the friction device is the relatively low sensitivity to the change in dielectric permittivity of the body material and hence the low sensitivity of the device.

Nevýhodou čtvrtého zařízení je nutnost dvojího propojení mezi kmitočtovým modulátorem na jedné straně, a zdrojem napájecího napětí a kmitočtovým detektorem na straně druhé.A disadvantage of the fourth device is the need for a double connection between the frequency modulator on the one hand, and the power supply source and the frequency detector on the other.

Při obvyklých rozebíratelných zástrčko-zásuvkových spojích se snižuje odolnost proti mechanickým vlivům a tím i spolehlivost celého zařízení a vícenásobné propojení komplikuje instalaci zařízení.In the case of conventional removable plug-socket connections, resistance to mechanical influences is reduced and thus the reliability of the whole device is reduced, and multiple interconnections complicate the installation of the device.

Společnou nevýhodou prvních tří zařízení je to, že informace o nerovnoměrnosti povrchu tělesa je obsáhnuta v amplitudě výstupního napětí snímače, přičemž je typická malá odolnost proti průmyslovému* rušení, jako je jiskření v blízkosti snímače. Další společnou nevýhodou je potřeba vícenásobného spojovacího vedení mezi snímačem a vyhodnocovacím zařízením.A common disadvantage of the first three devices is that information about the unevenness of the body surface is contained in the amplitude of the output voltage of the sensor, with low resistance to industrial interference such as sparking near the sensor. A further common disadvantage is the need for multiple connection lines between the sensor and the evaluation device.

Uvedené nevýhody odstraňuje zařízení pro zjištování nerovnoměrnosti vzdálenosti povrchu pohybujícího se tělesa, od elektrody kapacitního snímače, sestávající z kapacitního snímače tvořeného pohybujícím se tělesem s výstupkem na svém povrchu a nejméně jednou od něj oddělenou elektrodou a připojeného svým výstupem na kmitočet určující vstup kmitočtového modulátoru napájeného ze zdroje napájecího napětí a připojeného svým výstupem na kmitočtový detektor.These disadvantages are eliminated by a device for detecting an uneven distance of the surface of a moving body from a capacitive sensor electrode, consisting of a capacitive sensor consisting of a moving body with a protrusion on its surface and at least one electrode separated therefrom and connected to its frequency output to determine the frequency modulator input power supply and connected to its frequency detector by its output.

Podstata vynálezu spočívá v tom, že zdroj napájecího napětí je připojen na dvě výstupní svorky kmitočtového modulátoru, který sestává z rozladovaného oscilátoru, připojeného svým kmitočet určujícím vstupem na jemu příslušnou elektrodu kapacitního snímače. Rozladovaný oscilátor je dále připojen svým společným vstup-výstupním vodičem na druhou výstupní svorku a svým vstupem napájecího napětí přes první oddělovací impedanci na první výstupní svorku, připojenou přes druhou oddělovací impedanci na signální výstup rozladovaného oscilátoru, přičemž první a druhá oddělovací impedance jsou součástí zapojení oddělovacího obvodu, zatímco výstupní «svorky kmitočtového modulátoru jsou připojeny na vstup kmitočtového detektoru.The principle of the invention is that the power supply is connected to two output terminals of a frequency modulator, which consists of a tuned oscillator connected by its frequency determining input to its respective capacitor sensor electrode. The tuned oscillator is further connected by its common I / O conductor to the second output terminal and its supply voltage input via the first decoupling impedance to the first output terminal coupled via the second decoupling impedance to the disassembled oscillator signal output, the first and second decoupling impedances being part of the decoupling circuit. while the output terminals of the frequency modulator are connected to the input of the frequency detector.

Výhoda zařízení podle vynálezu spočívá v tom, že převedením změny kapacity mezi první a druhou elektrodou kapacitního snímače na odpovídající změnu kmitočtu na výstupu rozladovaného oscilátoru se dosáhne podstatně vyšší odolnost zařízení proti průmyslovému rušení, které má v převážné míře amplitudový charakter. Další výhodou je, že spojení mezi výstupem rozladovaného oscilátoru a vstupem kmitočtového detektoru je provedeno jediným koaxiálním vedením s neomezenou délkou. Výhodou rovněž je, že na zhotovení pohybujícího se tělesa je použitelný libovolný materiál, a že i prostředí v mezeře mezi povrchem pohybujícího se tělesa a elektrodami kapacitního snímače může být bez požadavků na optické a jiné vlastnosti.An advantage of the device according to the invention is that by converting the capacitance change between the first and second capacitor sensor electrodes to a corresponding frequency change at the output of the tuned oscillator, a significantly higher immunity of the device to industrial interference, which is predominantly amplitude in nature, is achieved. Another advantage is that the connection between the output of the tuned oscillator and the input of the frequency detector is made by a single coaxial line of unlimited length. It is also advantageous that any material can be used to make the moving body and that the environment in the gap between the moving body surface and the capacitive sensor electrodes can be without requirements for optical and other properties.

Příklad provedení vynálezu je znázorněn na výkrese, představujícím blokové schéma zapojení zařízení.An exemplary embodiment of the invention is shown in the drawing, representing a block diagram of the apparatus.

Zařízení 14 podle vynálezu má v určité vzdálenosti nad pohybujícím se, například rotujícícm, tělesem 2 umístěny elektrody _3' kondenzátoru, vytvářející spolu s tělesem 2 a mezerou 17 kapacitní snímač _1. První elektroda 3^ je připojena na první kmitočet určující vstup 15 rozladovaného oscilátoru druhá elektroda £ je připojena na druhý kmitočet určující vstup 16 rozladovaného oscilátoru _6, vytvářejícího blok vnitřního obvodu kmitočtového modulátoru 10. Jedna z elektrod .3, 1 může být také tvořena přímo tělesem _2, je-li vyrobeno z elektricky vodivého materiálu. Rozladovaný oscilátor 16 je připojen svým vstup-výstupním vodičem na druhou výstupní svorku 20 kmitočtového modulátoru 10 a svým vstupem napájecího napětí přes první oddělovací impedanci 12 na jeho první výstupní svorku 19, připojenou přes druhou oddělovací impedanci 13 na signální výstup rozladovaného oscilátoru 6.The device 14 according to the invention has a capacitor electrodes 3 'at a distance above the moving, for example rotating, body 2, forming a capacitive sensor 1 together with the body 2 and the gap 17. The first electrode 3 is coupled to the first frequency determining the input 15 of the tuned oscillator. The second electrode 6 is connected to the second frequency determining the input 16 of the tuned oscillator 6 forming the internal circuit block of the frequency modulator 10. One of the electrodes 3, 1 may also be formed directly 2, when made of an electrically conductive material. The tuned oscillator 16 is connected by its input-output conductor to the second output terminal 20 of the frequency modulator 10 and its supply voltage input via the first decoupling impedance 12 to its first output terminal 19, connected via the second decoupling impedance 13 to the signal output of the tuned oscillator 6.

Impedance 12 a 13 jsou součástí zapojení oddělovacího obvodu 11, tvořícího rovněž blok vnitřního obvodu kmitočtového modulátoru 10.The impedances 12 and 13 are part of the circuitry of the isolation circuit 11, also forming the block of the internal circuit of the frequency modulator 10.

Výstupní svorky 19 a 20 jsou připojeny na vstup kmitočtového detektoru 8 a na zdroj 9 napájecího napětí společným spojovacím vedením T_. To je umožněno tím, že první oddělovací impedance 12 má vysokou impedanci pro výstupní signál rozladovaného oscilátoru 6 s nízkou impedancí pro napájecí napětí přiváděné ze zdroje £, a druhá oddělovací impedance 13 má vysokou impedanci pro napájecí napětí zdroje 2 ^a nízkou impedanci pro výstupní signál rozladovaného oscilátoru 6.The output terminals 19 and 20 are connected to the input of the frequency detector 8 and to the power supply 9 via a common connection line T. This is made possible by the first decoupling impedance 12 having a high impedance for the low impedance output signal of the low-impedance oscillator 6 for the supply voltage supplied from the source 6, and the second decoupling impedance 13 having a high impedance for the supply voltage of the source 2 ^and low impedance for the oscillator 6.

Přes první oddělovací impedanci 12 je na vstup napájecího napětí rozladovaného oscilátoru 2 přiváděn napájecí proud ze zdroje 9, potřebný pro správnou činnost rozladovaného oscilátoru 2 kmitočtového modulátoru 10. a přes druhou oddělovací impedanci 13 je na první výstupní svorku 19 kmitočtového modulátoru 10 přiváděn signál z výstupu rozladovaného oscilátoru 2Velikost mezery 17 mezi povrchem tělesa 2 a elektrodami 2 ^a A ^se mění v závislosti na poloze výstupku 18 vůči elektrodám 2 ^a 2· ^{T4m se} mění i hodnota vzdálenosti povrchu tělesa 2 od elektrod 2 ^a 2, která se promítá do změny kmitočtu rozladovaného oscilátoru 6, jehož výstupní signál je přiveden spojovacím vedením 2 do kmitočtového detektoru 2, v kterém se detekuje změna kmitočtu výstupního signálu rozladovaného oscilátoru 2· Výstupní signál z kmitočtového detektoru 2 ^se přivádí do nízkofrekvenčního zesilovače s tvarovačem, na jehož výstupu jsou elektrické impulsy označující polohu nerovnoměrnosti povrohu pohybujícího se tělesa 2. U rotujícího tělesa 2 lze takto indikovat jednotlivé otáčky tělesa 2 nebo úhlovou polohu nerovnoměrnosti povrchu vzhledem k obvodu tělesa 2.Through the first decoupling impedance 12, the supply voltage of the tuned oscillator 2 is supplied with the power supply from the source 9 needed for the correct operation of the tuned oscillator 2 of the frequency modulator 10, and via the second decoupling impedance 13. rozladovaného oscillator 2Velikost gap 17 between the surface of the body 2 and the electrodes ^{2, and} ^varies depending on the position of the projection 18 with respect to the electrodes 2 ^and 2 · ^T4M also ^changes the value of the distance to the surface of the body 2 from the electrodes 2 ^and 2, which translates into a frequency change rozladovaného The output signal from the frequency detector 2 ^is fed to a low-frequency amplifier with a shaping device, at the output of which the output signal of the detector 2 ^is detected. are electrical pulses indicating the surface irregularity position of the moving body 2. Thus, in the case of the rotating body 2, the individual rotation of the body 2 or the angular position of the surface irregularity with respect to the periphery of the body 2 can be indicated.

Zařízení podle vynálezu je zejména určeno pro synchronizaci polohy lopatek kola kompresoru s laser-dopplerovským anemometrem při měření rychlostních polí prostředí.The device according to the invention is particularly intended for synchronizing the position of the blades of a compressor wheel with a laser-doppler anemometer when measuring velocity fields of the environment.

Další použití je možno pro měření otáček rotujících těles za zvláště ztížených podmínek práce nebo pro zjištění a označení odchylek průměru rotujícího tělesa. Rovněž je možné zařízení použít pro zjištování nerovnoměrnosti povrchu pohybujícího se tělesa a tím například bezdotykově měřit tloušEku válcovaného plechu nebo jiného materiálu.Further applications are possible for measuring the speed of rotating bodies under particularly difficult working conditions or for detecting and marking deviations of the diameter of the rotating body. It is also possible to use the device to detect unevenness of the surface of the moving body and thus to measure, for example, the thickness of the rolled sheet or other material without contact.

Claims

Apparatus for detecting an uneven distance between a moving body surface and a capacitive sensor electrode, consisting of a capacitive sensor consisting of a moving body with a protrusion on its surface and at least one electrode separated therefrom, and connected to its frequency output to determine the frequency modulator input voltage supply connected to the frequency detector, characterized in that the power supply source (9) is connected to two output terminals (19, 20) of the frequency modulator (10), which consists of a tuned oscillator (6) connected by its frequency determining input (15, 16) on its respective electrode (3, 4) of the capacitive sensor (1) and further connected by its common input-output conductor to the second output terminal (20), by its supply voltage input through the first decoupling impedance, 12) to the first output clamp ( 19), connected via a second decoupling impedance (13) to the signal output of the tuned oscillator (6), the first and second decoupling impedances (12 and 13) being part of the decoupling circuit (11), while the output terminals (19 and 20) of the frequency modulator (10) are connected to the input of the frequency detector (8).