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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Einspulen-Induktionsmetalldetektor. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Metalldetektoren Der vorgeschlagene Metalldetektor vom Induktionstyp ist universell. Sein Sensor ist einfach aufgebaut und kann mit einem Durchmesser von 0,1 ... 1 m hergestellt werden. Ungefähr proportional zum Durchmesser ändern sich die Größe der erkannten Objekte und die Entfernung, in der der Metalldetektor diese Objekte erkennt. Bei einem Standardsensor mit einem Durchmesser von 180 mm beträgt die Erfassungstiefe:
Das Gerät ist mit einem einfachen Diskriminator ausgestattet, der es ermöglicht, Signale von kleinen Eisenobjekten herauszufiltern, wenn diese für die Suche nicht von Interesse sind. Strukturschema Das Blockdiagramm ist in Abb. dargestellt. 14. Es besteht aus mehreren Funktionsblöcken.
Der Quarzoszillator ist eine Quelle von Rechteckimpulsen, aus denen anschließend ein Signal gebildet wird, das in die Sensorspule gelangt. Das Oszillatorsignal wird mithilfe eines Ringzählers auf Flip-Flops durch die Frequenz durch 4 geteilt. Gemäß der Ringschaltung ist der Zähler so ausgelegt, dass an seinen Ausgängen zwei um 1° phasenverschobene Signale F2 und F90 erzeugt werden können, die zum Aufbau einer Diskriminatorschaltung erforderlich sind. Dem Eingang des ersten Integrators wird ein Rechtecksignal (Mäander) zugeführt, dessen Ausgang eine stückweise lineare Sägezahnspannung ist. Der zweite Integrator erzeugt aus der „Säge“ ein Signal, das einer Sinusform sehr nahe kommt und aus parabelförmigen Halbwellen besteht. Dieses stabile Amplitudensignal wird dem Leistungsverstärker zugeführt, einem Spannungs-Strom-Wandler, der auf die Sensorspule geladen wird. Die Sensorspannung ist nicht mehr amplitudenstabil, da sie vom reflektierten Signal von Metallgegenständen abhängt. Der absolute Wert dieser Instabilität ist sehr gering. Um es zu erhöhen, also das Nutzsignal hervorzuheben, subtrahiert die Kompensationsschaltung die Ausgangsspannung des zweiten Integrators von der Spannung an der Sensorspule. Dabei wird bewusst auf viele Details zum Aufbau des Leistungsverstärkers, der Kompensationsschaltung und der Art und Weise des Einschaltens der Sensorspule verzichtet, so dass diese Beschreibung die prinzipielle Funktionsweise des Gerätes verständlicher macht, wenn auch nicht ganz korrekt. Weitere Einzelheiten finden Sie in der Beschreibung des Schaltplans. Von der Kompensationsschaltung wird das Nutzsignal dem Empfangsverstärker zugeführt und dort spannungsverstärkt. Synchrondetektoren wandeln das Nutzsignal in langsam variierende Spannungen um, deren Werte und Polarität von der Phasenverschiebung des reflektierten Signals gegenüber dem Spannungssignal der Sensorspule abhängen. Mit anderen Worten sind die Ausgangssignale von Synchrondetektoren nichts anderes als die Komponenten der orthogonalen Entwicklung des Vektors des reflektierten Nutzsignals hinsichtlich der Vektorbasis der Grundharmonischen der Referenzsignale F1 und F2. Ein Teil des nutzlosen Signals, das aufgrund seiner Unvollkommenheit von der Kompensationsschaltung nicht kompensiert wird, dringt zwangsläufig in den Empfangsverstärker ein. An den Ausgängen von Synchrondetektoren wird dieser Teil des Signals in Gleichstromkomponenten umgewandelt. Hochpassfilter (HPF) schneiden nutzlose konstante Komponenten ab und lassen nur die sich ändernden Komponenten der Signale durch und verstärken sie, die mit der Bewegung des Sensors relativ zu Metallobjekten verbunden sind. Der Diskriminator erzeugt ein Steuersignal, um den Tonsignalformer nur bei einer bestimmten Kombination von Signalpolaritäten am Filterausgang zu starten, wodurch die Tonanzeige von kleinen Eisengegenständen, Rost und einigen Mineralien eliminiert wird Schematische Darstellung Das schematische Diagramm des vom Autor entwickelten Induktionsmetalldetektors ist in Abb. 15 - der Eingabeteil, Abb. 16 - Synchrondetektoren und Filter, Abb. 17 - Diskriminator und Tonsignalformer, Abb. 18 ist ein Diagramm externer Verbindungen. Kristalloszillator (Fig. 15) Der Quarzoszillator ist auf D1.1-D1.3-Wechselrichtern aufgebaut. Die Oszillatorfrequenz wird durch einen Quarz- oder Piezokeramik-Resonator Q mit einer Resonanzfrequenz von 215 Hz - 32 kHz („Uhrquarz“) stabilisiert. Die R1C2-Schaltung verhindert die Erregung des Generators bei höheren Harmonischen. Durch den Widerstand R2 wird der OOS-Kreis geschlossen, durch den Resonator Q wird der POS-Kreis geschlossen. Der Generator zeichnet sich durch Einfachheit, geringen Stromverbrauch, zuverlässigen Betrieb bei einer Versorgungsspannung von 3 ... 15 V aus, enthält keine abgestimmten Elemente und zu hochohmige Widerstände. Die Ausgangsfrequenz des Generators beträgt etwa 32 kHz.
Ringzähler (Fig. 15) Der Ringzähler hat zwei Funktionen. Zunächst wird die Oszillatorfrequenz durch 4 geteilt, bis zu einer für solche Geräte typischen Frequenz von 8 kHz. Zweitens erzeugt es zwei um 90° phasenverschobene Referenzsignale für synchrone Detektoren. Der Ringzähler besteht aus zwei zu einem Ring geschlossenen D-Flip-Flops D2.1 und D2.2 mit Signalumkehr entlang des Rings. Das Taktsignal ist für beide Flip-Flops gemeinsam. Jedes Ausgangssignal des ersten Triggers D2.1 hat eine Phasenverschiebung von plus oder minus einer Viertelperiode (dh 90°) relativ zu jedem Ausgangssignal des zweiten Triggers D2.2. Integratoren (Fig. 15) Die Integratoren basieren auf den Betriebssystemen D3.1 und D3.2. Ihre Zeitkonstanten werden durch die Schaltkreise R3C6 und R5C9 bestimmt. Der DC-Modus wird durch die Widerstände R4, R6 unterstützt. Trennkondensatoren C5, C8 verhindern die Anhäufung statischer Fehler, die aufgrund ihrer hohen Gleichstromverstärkung die Integratoren aus dem Modus bringen können. Die Nennwerte der in den Integratorschaltungen enthaltenen Elemente sind so gewählt, dass die gesamte Phasenverschiebung beider Integratoren bei einer Betriebsfrequenz von 8 kHz unter Berücksichtigung beider Haupt-RC-Glieder und unter Berücksichtigung des Einflusses der Trennung genau 180° beträgt Schaltkreise und die Endgeschwindigkeit des Operationsverstärkers mit der ausgewählten Korrektur. Die Korrekturschaltungen der Operationsverstärker der Integratoren sind Standard und bestehen aus 33 pF-Kondensatoren. Verstärker (Abb. 15) Der Leistungsverstärker ist auf einem D4.2-Operationsverstärker mit paralleler Spannungsrückkopplung aufgebaut. Zwischen dem Ausgang des zweiten Integrators und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers D72 ist ein thermisch kompensiertes Stromeinstellelement, bestehend aus den Widerständen R78, R73 und dem Thermistor R18 (siehe Abb. 4.2), geschaltet. Die Verstärkerlast, die auch Bestandteil des OOS ist, ist ein Schwingkreis bestehend aus einer Sensorspule L1 und einem Kondensator C61. Bei der Nummerierung der Widerstände und Kondensatoren in den Diagrammen von Abb. 15-18 sind einige Positionen weggelassen, was mit zahlreichen Modifikationen an der Schaltung des Induktionsmetalldetektors verbunden ist und dies kein Fehler ist. Der Schwingkreis ist auf Resonanz bei einem Viertel der Frequenz des Quarzresonators des Master-Oszillators abgestimmt, d. h. abhängig von der Frequenz des anliegenden Signals. Der Impedanzmodul des Schwingkreises bei der Resonanzfrequenz beträgt etwa 4 kOhm. Die Parameter der Sensorspule L1 sind wie folgt: Die Windungszahl beträgt 100, die Drahtsorte ist PEL, PEV, PELSHO 0,2 ... 0,5, der durchschnittliche Durchmesser und der Durchmesser des Wickeldorns betragen 165 mm. Die Spule verfügt über einen Aluminiumfolienschirm, der mit dem gemeinsamen Bus des Instruments verbunden ist. Um die Bildung einer Kurzschlusswindung zu verhindern, ist ein kleiner Teil, etwa 1 cm, des Umfangs der Spulenwicklung frei von der Abschirmung. Die Sensorelemente R72, R73, R78, L1, C61 sind so ausgewählt, dass sie erstens gleich groß sind wie die Spannung am Ein- und Ausgang des Leistungsverstärkers. Dazu ist es erforderlich, dass der Widerstand der Schaltung R72, R73, R78 gleich dem Impedanzmodul des Schwingkreises L1, C61 bei einer Resonanzfrequenz von 8 kHz bzw. 8192 Hz ist. Dieses Widerstandsmodul beträgt, wie bereits erwähnt, etwa 4 kOhm und sein Wert muss für einen bestimmten Sensor angegeben werden. Zweitens muss der Temperaturkoeffizient des Widerstands (TCR) des R71-R73-Kreises in Größe und Vorzeichen mit dem TCR des Impedanzmoduls des Schwingkreises L1, C61 bei der Resonanzfrequenz übereinstimmen, was erreicht wird: ungefähr – durch Wahl des Wert des Thermistors R73 und genau - durch Wahl des Verhältnisses R72-R78 und wird experimentell beim Abstimmen erreicht. Die Temperaturinstabilität des Schwingkreises hängt vor allem mit der Instabilität des ohmschen Widerstands des Kupferdrahts der Spule zusammen. Mit zunehmender Temperatur erhöht sich dieser Widerstand, was die Verluste im Stromkreis erhöht und seinen Qualitätsfaktor verringert. Daher nimmt der Modul seiner Impedanz bei der Resonanzfrequenz ab. Der Widerstand R18 spielt in der Schaltung keine grundlegende Rolle und dient dazu, den D4.2-Operationsverstärker im Modus zu halten, wenn das Gegenstück zum X1-Anschluss deaktiviert ist. Die D4.2-Operationsverstärker-Korrekturschaltung ist Standard und besteht aus einem 33 pF-Kondensator. Ausgleichsregelung (Fig. 15) Die Hauptelemente der Kompensationsschaltung, die die Subtraktion der Ausgangsspannung des zweiten Integrators von der Sensorspulenspannung umsetzen, sind Widerstände R15, R17 mit gleichem Widerstandswert. Von ihrem gemeinsamen Anschlusspunkt wird das Nutzsignal dem Empfangsverstärker zugeführt. Zusätzliche Elemente, mit denen eine manuelle Einstellung und Einstellung des Geräts erreicht wird, sind Potentiometer R74, R75 (Abb. 18). Von diesen Potentiometern ist es möglich, ein Signal zu entnehmen, das im Bereich [-1, +1] aus dem Spannungssignal des Sensors (oder dem Ausgangssignal des zweiten Integrators, dessen Amplitude nahezu gleich ist) liegt. Durch die Einstellung dieser Potentiometer werden das minimale Signal am Eingang des Empfangsverstärkers und Nullsignale an den Ausgängen der Synchrondetektoren erreicht. Über den Widerstand R16 wird ein Teil des Ausgangssignals eines Potentiometers direkt und über die Elemente R11-R14, C14-C16 in die Kompensationsschaltung eingemischt - mit einer Verschiebung von 90° zum Ausgang eines anderen Potentiometers. Der Operationsverstärker D4.1 ist die Basis des Kompensators höherer Harmonischer der Kompensationsschaltung. Es implementiert einen Doppelintegrator mit Invertierung, dessen Zeitkonstanten durch die dem Integrator gemeinsame Parallelspannungsrückkopplungsschaltung R7C12 sowie den Kondensator C16 mit allen ihn umgebenden Widerständen eingestellt werden. Vom Ausgang des Elements D8 wird dem Eingang des Doppelintegrators ein Mäander mit einer Frequenz von 1.5 kHz zugeführt. Über die Widerstände R8, R10 wird die Hauptharmonische vom Mäander abgezogen. Der Gesamtwiderstand dieser Widerstände beträgt etwa 10 kOhm und wird experimentell ausgewählt, wenn das Mindestsignal am Ausgang des Operationsverstärkers D4.1 eingestellt wird. Die am Ausgang des Doppelintegrators verbleibenden höheren Harmonischen gelangen mit der gleichen Amplitude in den Kompensationskreis wie die höheren Harmonischen, die die Hauptintegratoren durchdringen. Die Phasenbeziehung ist so, dass am Eingang des Empfangsverstärkers die höheren Harmonischen dieser beiden Quellen praktisch kompensiert werden. Der Ausgang des Leistungsverstärkers stellt keine zusätzliche Quelle höherer Harmonischer dar, da der hohe Gütefaktor des Schwingkreises (ca. 30) für ein hohes Maß an Unterdrückung höherer Harmonischer sorgt. Höhere Harmonische haben in erster Näherung keinen Einfluss auf den normalen Betrieb des Gerätes, auch wenn sie um ein Vielfaches größer sind als das reflektierte Nutzsignal. Sie müssen jedoch reduziert werden, damit der Empfangsverstärker nicht in den Clipping-Modus gerät, wenn die Spitzen des „Cocktails“ Von den höheren Harmonischen an seinem Ausgang beginnen sie aufgrund des endlichen Wertes der Versorgungsspannung des Operationsverstärkers abgeschnitten zu werden. Ein solcher Übergang des Verstärkers in den nichtlinearen Modus verringert die Verstärkung des Nutzsignals stark. Die Elemente D1.4 und D1.5 verhindern die Bildung eines parasitären PIC-Rings durch den Widerstand R7 aufgrund des Werts des Ausgangskoeffizienten ungleich Null Triggerausgangswiderstand D2.1. Der Versuch, den Widerstand R7 direkt mit dem Flip-Flop zu verbinden, führt zu einer Selbsterregung der Kompensationsschaltung bei niedriger Frequenz. Die D4.2-Operationsverstärker-Korrekturschaltung ist Standard und besteht aus einem 33-pF-Kondensator. Empfangsverstärker (Fig. 15) Der Empfangsverstärker ist zweistufig. Die erste Stufe erfolgt auf dem Operationsverstärker D5.1 mit paralleler Spannungsrückkopplung. Die Nutzsignalverstärkung beträgt: Ku = - R19/R17 = -5. Die zweite Kaskade erfolgt auf dem Operationsverstärker D5.2 mit serieller Spannungsrückkopplung. Verstärkungskoeffizient Ku = R21/R22 + 1 = 6. Die Zeitkonstanten der Trennschaltungen werden so gewählt, dass bei der Betriebsfrequenz die von ihnen erzeugte Phasenverschiebung die Signalverzögerung aufgrund der endlichen Geschwindigkeit des Operationsverstärkers kompensiert. Die Operationsverstärker-Korrekturschaltungen D5.1 und D5.2 sind Standard und bestehen aus 33-pF-Kondensatoren.
Synchrondetektoren (Fig. 16) Synchrondetektoren sind vom gleichen Typ und haben identische Schaltkreise, daher wird nur einer von ihnen, der oberste im Schaltkreis, berücksichtigt. Der Synchrondetektor besteht aus einem symmetrischen Modulator, einer Integrierschaltung und einem Konstantsignalverstärker (CCA). Der symmetrische Modulator wird auf Basis einer integrierten Anordnung analoger Schalter D6.1 auf Feldeffekttransistoren implementiert. Bei einer Frequenz von 8 kHz schließen Analogschalter abwechselnd die Ausgänge des „Dreiecks“ der Integrierschaltung, bestehend aus den Widerständen R23 und R24 und dem Kondensator C23, an einen gemeinsamen Bus. Das Referenzfrequenzsignal wird dem symmetrischen Modulator von einem der Ringzählerausgänge zugeführt. Dieses Signal ist das Steuersignal für Analogschalter. Das Signal zum Eingang des „Dreiecks“ der Integrierschaltung wird über den Entkopplungskondensator C21 vom Ausgang des Empfangsverstärkers zugeführt. Zeitkonstante der Integrierschaltung t = -R23*C23 = R24*C23. Weitere Details zum synchronen Detektorschema finden Sie in Abschn. 2.1. Die OA-USV D7 verfügt über eine Standard-Korrekturschaltung, bestehend aus einem Kondensator mit einer Kapazität von 33 pF für den OA-Typ K140UD1408. Bei Verwendung eines Operationsverstärkers vom Typ K140UD12 (mit interner Korrektur) ist kein Korrekturkondensator erforderlich, sondern ein zusätzlicher Stromeinstellwiderstand R68 (gestrichelt dargestellt). Filter (Fig. 16) Die Filter sind vom gleichen Typ und haben identische Schaltkreise, sodass nur einer von ihnen, der oberste im Schaltkreis, berücksichtigt wird. Wie oben erwähnt, bezieht sich der Filtertyp auf den HPF. Darüber hinaus wird ihm in der Schaltung die Aufgabe der weiteren Verstärkung des vom Synchrondetektor gleichgerichteten Signals zugewiesen. Bei der Implementierung dieser Art von Filtern in Metalldetektoren entsteht ein spezifisches Problem. Sein Wesen ist wie folgt. Nutzsignale von den Ausgängen synchroner Detektoren sind relativ langsam, daher liegt die untere Grenzfrequenz des HPF normalerweise im Bereich von 2...10 Hz. Der Dynamikbereich der Signale in der Amplitude ist sehr groß, er kann am Filtereingang 60 dB erreichen. Dies bedeutet, dass der Filter sehr oft in einem nichtlinearen Spitze-zu-Spitze-Modus arbeitet. Das Verlassen des nichtlinearen Modus nach Einwirkung von Überlastungen mit so großen Amplituden kann bei einem linearen Hochpassfilter mehrere zehn Sekunden dauern (sowie die Bereitschaftszeit des Geräts nach dem Einschalten), was die einfachsten Filterschaltungen für die Praxis ungeeignet macht. Um dieses Problem zu lösen, greifen sie zu allen möglichen Tricks. Am häufigsten ist der Filter in drei oder vier Stufen mit relativ geringer Verstärkung und einer mehr oder weniger gleichmäßigen Verteilung der Steuerketten über die Stufen unterteilt. Diese Lösung beschleunigt die Ausgabe des Geräts in den Normalmodus nach Überlastungen. Allerdings erfordert die Umsetzung eine große Anzahl an Betriebssystemen. Im vorgeschlagenen Schema ist der HPF einstufig. Um die Folgen von Überlastungen zu reduzieren, wird es nichtlinear gestaltet. Seine Zeitkonstante ist bei großen Signalen etwa 60-mal kleiner als bei Signalen mit geringer Amplitude. Schematisch gesehen ist der HPF ein Spannungsverstärker am D9.1-Operationsverstärker, der durch den OOS-Schaltkreis über den Integrator am D10-Operationsverstärker abgedeckt wird. Für ein kleines Signal werden die Frequenz- und Zeiteigenschaften des HPF durch einen Teiler der Widerstände R45, R47, die Zeitkonstante des Integrators R43 C35 und die Verstärkung des Spannungsverstärkers am Operationsverstärker D9.1 bestimmt. Mit einem Anstieg der Ausgangsspannung des HPF nach einem bestimmten Schwellenwert beginnt der Einfluss der Diodenkette VD1-VD4 zu wirken, die die Hauptquelle der Nichtlinearität darstellt. Die angegebene Schaltung überbrückt den Widerstand R45 bei großen Signalen, wodurch die Tiefe des OOS im HPF erhöht und die Zeitkonstante des HPF verringert wird. Die Nutzsignalverstärkung beträgt etwa 200. Zur Unterdrückung hochfrequenter Störungen verfügt die Filterschaltung über einen Kondensator C31. Der Spannungsverstärker-Operationsverstärker D9.1 verfügt über eine Standard-Korrekturschaltung bestehend aus einem 33 pF-Kondensator. Der Operationsverstärker des D10-Integrators verfügt über eine Korrekturschaltung bestehend aus einem 33 pF-Kondensator für den Operationsverstärker vom Typ K140UD1408. Bei Verwendung eines Operationsverstärkers vom Typ K140UD12 (mit interner Korrektur) ist kein Korrekturkondensator erforderlich, sondern ein zusätzlicher Stromeinstellwiderstand R70 (dargestellt in der gestrichelten Linie).
Diskriminator (Fig. 17) Der Diskriminator besteht aus Komparatoren am Operationsverstärker D12.1, D12.2 und Einzelvibratoren an den Flip-Flops D13.1, D13.2. Wenn ein Metalldetektorsensor über einen Metallgegenstand fährt, erscheint an den Filterausgängen ein Nutzsignal in Form von zwei Spannungshalbwellen entgegengesetzter Polarität, die an jedem Ausgang gleichzeitig nacheinander folgen. Bei kleinen Eisenobjekten sind die Signale an den Ausgängen beider Filter in Phase: Die Ausgangsspannung „schwingt“ zuerst auf Minus, dann auf Plus und kehrt dann auf Null zurück. Bei nicht ferromagnetischen Metallen und großen Eisenobjekten ist die Reaktion anders: Die Ausgangsspannung nur des ersten (oberen entsprechend der Filterschaltung) „schwingt“ zuerst auf Minus und dann auf Plus. Die Reaktion am Ausgang des zweiten Filters ist umgekehrt: Die Ausgangsspannung „schwingt“ zuerst ins Plus und dann ins Minus. Die Ausgangsimpulse der Komparatoren treiben einen der Einzelvibratoren an den Triggern D13.1, D13.2 an. Die einzelnen Vibratoren können nicht gleichzeitig starten – die Kreuzrückkopplung über die Dioden VD9, VD11 blockiert den Start des einen Vibrators, wenn der andere bereits läuft. Die Dauer der Impulse an den Ausgängen einzelner Vibratoren beträgt etwa 0,5 s und ist damit um ein Vielfaches länger als die Dauer beider Impulse des Nutzsignals bei schneller Bewegung des Sensors. Daher haben die zweiten Halbwellen der Ausgangssignale der Filter keinen Einfluss mehr auf die Entscheidung des Diskriminators – entsprechend den ersten Ausbrüchen des Nutzsignals löst dieser einen der Einzelvibratoren aus, während der andere gesperrt ist und dieser Zustand vorliegt für eine Zeit von 0,5 s fixiert. Um Störungen im Betrieb der Komparatoren auszuschließen und das Ausgangssignal des ersten Filters gegenüber dem zweiten zu verzögern, sind an den Eingängen der Komparatoren Integrationsschaltungen R49, C41 und R50, C42 installiert. Die Zeitkonstante der Schaltung R49, C41 ist um ein Vielfaches größer, daher wird beim gleichzeitigen Eintreffen von zwei negativen Halbwellen von den Filterausgängen der Komparator D12.2 als erster arbeiten und der One-Shot am Trigger sein D13.2 startet und gibt ein Steuersignal („ferro“ – Eisen) aus. Schallsignalaufbereiter (Fig. 17) Der Audiosignalformer besteht aus zwei identisch gesteuerten Audiofrequenzgeneratoren auf Schmidt-Triggern mit UND-Logik am Eingang D14.1, D14.2. Jeder Generator wird direkt durch das Ausgangssignal des entsprechenden Diskriminator-Einzelvibrators gestartet. Der obere Oszillator wird durch den „Metall“-Befehl vom Ausgang des oberen Einzelvibrators – einem nicht ferromagnetischen Ziel oder einem großen Eisengegenstand – ausgelöst und erzeugt einen Tonstoß mit einer Frequenz von etwa 2 kHz. Der untere Oszillator wird durch den „Ferro“-Befehl vom Ausgang des unteren Einzelvibrators – kleine Eisenobjekte – ausgelöst und erzeugt eine Tonbotschaft mit einer Frequenz von etwa 500 Hz. Die Dauer der Meldungen entspricht der Dauer der Impulse an den Ausgängen der Einzelvibratoren. Element D14.3 mischt die Signale zweier Tongeneratoren. Das gemäß der Wechselrichterschaltung angeschlossene Element D14.4 dient zur Implementierung einer Brückenschaltung zum Einschalten eines piezoelektrischen Emitters. Der Widerstand R63 begrenzt die von der Mikroschaltung D14 verbrauchten Stromstöße, die durch die kapazitive Natur der piezoelektrischen Impedanz verursacht werden. Dies ist eine vorbeugende Maßnahme, um die Auswirkungen von Leistungsinterferenzen zu reduzieren und eine mögliche Selbsterregung des Verstärkungspfads zu verhindern. Diagramm der externen Verbindungen (Fig. 18)
Das Diagramm der externen Anschlüsse zeigt Elemente, die nicht auf der Leiterplatte des Geräts installiert sind und über elektrische Anschlüsse mit dieser verbunden sind. Zu diesen Elementen gehören:
Der Zweck der aufgeführten Elemente ist grundsätzlich offensichtlich und bedarf keiner weiteren Erläuterung. Teiletypen und Design Die verwendeten Arten von Mikroschaltungen sind in der Tabelle angegeben. 5. Tabelle 5. Arten von verwendeten Mikroschaltungen
Anstelle der Mikroschaltungen der Serie K561 können auch Mikroschaltungen der Serie K1561 verwendet werden. Sie können versuchen, einige Chips der K176-Serie zu verwenden. Doppelte Operationsverstärker (Operationsverstärker) der K157-Serie können durch beliebige einzelne Allzweck-Operationsverstärker mit ähnlichen Parametern ersetzt werden (mit entsprechenden Änderungen in der Pinbelegung und den Korrekturschaltungen), obwohl die Verwendung von doppelten Operationsverstärkern praktischer ist (die Einbaudichte nimmt zu). Es ist wünschenswert, dass die verwendeten Betriebssystemtypen hinsichtlich der Geschwindigkeit den empfohlenen Typen nicht nachstehen. Dies gilt insbesondere für D3-D5-Mikroschaltungen. Operationsverstärker von Synchrondetektoren und Hochpassfilter-Integratoren sollten hinsichtlich ihrer Parameter an Präzisions-Operationsverstärker heranreichen. Zusätzlich zu dem in der Tabelle angegebenen Typ sind K140UD14, 140UD14 geeignet. Es ist möglich, die Mikroleistungs-Operationsverstärker K140UD12, 140UD12, KR140UD1208 im entsprechenden Schaltkreis zu verwenden. Für die im Metalldetektorkreis verwendeten Widerstände gelten keine besonderen Anforderungen. Sie müssen lediglich robust und miniaturisiert sowie einfach zu installieren sein. Um eine maximale thermische Stabilität zu erreichen, sollten in den Sensorkreisen, Integratoren und im Kompensationskreis ausschließlich Metallschichtwiderstände verwendet werden. Die Verlustleistung beträgt 0,125 ... 0,25 W. Der Thermistor R73 muss einen negativen TKS und einen Wert von etwa 4,7 kOhm haben. Der empfohlene KMT-Typ ist 17 W. Kompensationspotentiometer R74, R75 sind vorzugsweise Multiturn-Typ SP5-44 oder mit Nonius-Einstellung Typ SP5-35. Sie kommen mit herkömmlichen Potentiometern jeglicher Art aus. In diesem Fall ist es wünschenswert, zwei davon zu verwenden. Einer - zur Grobeinstellung, mit einem Nennwert von 10 kOhm, gemäß Diagramm enthalten. Der andere dient der Feinabstimmung und wird gemäß der Rheostatschaltung in die Lücke eines der äußersten Anschlüsse des Hauptpotentiometers mit einem Nennwert von 0,5 ... 1 kOhm angeschlossen. Die Kondensatoren C45, C49, C51 sind elektrolytisch. Empfohlene Typen – K50-29, K50-35, K53-1, K53-4 und andere kleine. Die übrigen Kondensatoren, mit Ausnahme der Kondensatoren des Schwingkreises des Sensors, sind Keramik vom Typ K10-7 (bis zu einem Nennwert von 68 nF) und Metallfilm vom Typ K73-17 (Werte über 68 nF). Der Schaltungskondensator C61 ist etwas Besonderes. An ihn werden hohe Anforderungen hinsichtlich Genauigkeit und thermischer Stabilität gestellt. Der Kondensator C61 besteht aus mehreren (5 ... 10 Stk.) parallel geschalteten Kondensatoren. Die Abstimmung der Schaltung auf Resonanz erfolgt durch Auswahl der Anzahl der Kondensatoren und ihrer Nennleistung. Der empfohlene Kondensatortyp ist K10-43. Ihre thermische Stabilitätsgruppe ist MPO (d. h. ungefähr Null TKE). Es ist möglich, Präzisionskondensatoren und andere Typen zu verwenden, beispielsweise K71-7. Am Ende können Sie versuchen, die alten thermostabilen Glimmerkondensatoren mit versilbertem KSO-Typ oder einige Polystyrolkondensatoren zu verwenden. Dioden VD1-VD12 Typ KD521, KD522 oder ähnliches Silizium mit geringer Leistung. Es ist auch zweckmäßig, integrierte Brückendiodenbaugruppen vom Typ KD1 als Dioden VD4-VD5 und VD8-VD906 zu verwenden. Die Schlussfolgerungen (+) und (-) der Diodenbaugruppe sind miteinander verlötet und die Schlussfolgerungen (~) werden anstelle von vier Dioden in den Stromkreis einbezogen. Schutzdioden VD13-VD14 der Typen KD226, KD243, KD247 und andere kleine für einen Strom von 1 A. Mikroamperemeter – jeder Typ für einen Strom von 50 μA mit Null in der Mitte der Skala (-50 μA ... 0 ... + 50 μA). Praktisch sind kleine Mikroamperemeter, zum Beispiel Typ M4247. Quarzresonator Q – jeder kleine Uhrenquarz (ähnliche werden auch in tragbaren elektronischen Spielen verwendet). Der Wechsel der Betriebsarten - jede Art kleiner Drehkegel oder Nocken in 5 Positionen und 6 Richtungen. Batterien vom Typ 3R12 (nach internationaler Bezeichnung) oder „quadratisch“ (nach unserer). Piezo-Emitter Y1 – kann vom Typ ЗП1-ЗП18 sein. Gute Ergebnisse werden mit der Verwendung von Piezo-Emittern importierter Telefone erzielt (sie gehen bei der Herstellung von Telefonen mit Anruferkennung in großen Mengen „verschwendet“). Steckverbinder Х1-ХЗ - Standard, zum Löten auf einer Leiterplatte, mit einem Stiftabstand von 2,5 mm. Solche Steckverbinder werden derzeit häufig in Fernsehgeräten und anderen Haushaltsgeräten verwendet. Der X4-Stecker muss äußerlich ausgeführt sein, mit metallischen Außenteilen, vorzugsweise mit versilberten oder vergoldeten Kontakten und einem abgedichteten Kabelabgang. Der empfohlene Typ ist PC7 oder PC10 mit Gewinde- oder Bajonettanschluss. Platine Das Design des Gerätes kann durchaus beliebig sein. Bei der Gestaltung sind die weiter unten in den Abschnitten zur Sensorik und Gehäusegestaltung aufgeführten Empfehlungen zu berücksichtigen. Der Hauptteil der Elemente des Schaltplans des Gerätes befindet sich auf der Leiterplatte.
Die Leiterplatte des elektronischen Teils des Metalldetektors kann auf Basis einer vorgefertigten Universal-Steckplatine für das DIP-Paket von Mikroschaltungen mit einem Rastermaß von 2,5 mm hergestellt werden. In diesem Fall erfolgt die Installation mit einem einadrigen verzinnten Kupferdraht in Isolierung. Dieses Design eignet sich für experimentelle Arbeiten. Ein genaueres und zuverlässigeres PCB-Design wird durch die herkömmliche Verlegung von Leiterbahnen für einen bestimmten Schaltkreis erreicht. Aufgrund der Komplexität muss in diesem Fall die Leiterplatte beidseitig metallisiert werden. Die vom Autor verwendete Topologie der gedruckten Spuren ist in Abb. dargestellt. 19 - Seite der Leiterplatte von der Seite der Teileinstallation und in Abb. 20 - Seite der Leiterplatte von der Lötseite. Die Topologiezeichnung hat nicht die tatsächliche Größe. Um die Herstellung einer Fotomaske zu erleichtern, gibt der Autor die Größe der Leiterplatte entlang des äußeren Bildrahmens an – 130 x 144 (mm). PCB-Eigenschaften:
Die Dichte der Leiter auf der Leiterplatte ist nicht zu hoch, was das Anfertigen einer Zeichnung zum Ätzen zu Hause ermöglicht. Hierzu empfiehlt sich die Verwendung eines dünnen Zeichenstifts aus Glas oder einer abgesägten Spritzennadel samt Kunststoffröhrchen.
Ein übliches Reagenz zum Ätzen einer Standard-Leiterplatte aus Glasfaser mit Kupferfolie 35 ... 50 Mikrometer ist eine wässrige Lösung von Eisenchlorid FeCl3. Es gibt andere Möglichkeiten, Leiterplatten zu Hause herzustellen. Die Lage der Teile auf der Leiterplatte ist in Abb. dargestellt. 21 (Mikroschaltungen, Anschlüsse, Dioden“ und ein Quarzresonator), in Abb. 22 (Widerstände und Brücken) und in Abb. 23 (Kondensatoren).
Einrichten des Geräts Es wird empfohlen, das Gerät in der folgenden Reihenfolge einzurichten. 1. Überprüfen Sie die korrekte Installation anhand des Schaltplans. Stellen Sie sicher, dass es keine Kurzschlüsse zwischen benachbarten Leiterplattenleitern, benachbarten Mikroschaltungsbeinen usw. gibt. 2. Schließen Sie Batterien oder ein bipolares Netzteil an und beachten Sie dabei unbedingt die Polarität. Schalten Sie das Gerät ein und messen Sie den verbrauchten Strom. Es sollte auf jeder Stromschiene etwa 40 mA betragen. Eine starke Abweichung der Messwerte vom angezeigten Wert weist auf eine fehlerhafte Installation oder Fehlfunktion der Mikroschaltungen hin. 3. Stellen Sie sicher, dass am Ausgang des Generators ein reiner Mäander mit einer Frequenz von etwa 32 kHz entsteht. 4. Stellen Sie sicher, dass an den Ausgängen der Trigger D2 ein Mäander mit einer Frequenz von etwa 8 kHz anliegt. 5. Stellen Sie sicher, dass am Ausgang des ersten Integrators eine Sägezahnspannung und am Ausgang des zweiten eine nahezu sinusförmige Spannung ohne konstante Komponenten anliegt. Aufmerksamkeit! Eine weitere Justierung des Geräts muss durchgeführt werden, wenn sich keine großen Metallgegenstände in der Nähe der Sensorspule des Metalldetektors befinden, einschließlich Messgeräten! Andernfalls ist das Gerät verstimmt, wenn diese Objekte bewegt werden oder der Sensor relativ zu ihnen bewegt wird, und wenn sich große Metallobjekte in der Nähe des Sensors befinden, ist eine Abstimmung nicht möglich. 6. Stellen Sie sicher, dass der Leistungsverstärker funktioniert, indem an seinem Ausgang eine sinusförmige Spannung mit einer Frequenz von 8 kHz und einer Konstantkomponente von Null vorhanden ist (bei angeschlossenem Sensor). 7. Stellen Sie den Schwingkreis des Sensors auf Resonanz ein, indem Sie die Anzahl der Kondensatoren des Schwingkreises und deren Nennleistung auswählen. Die Abstimmung wird grob gesteuert – durch die maximale Amplitude der Schaltungsspannung, genau – durch eine Phasenverschiebung von 180° zwischen der Eingangs- und Ausgangsspannung des Leistungsverstärkers. 8. Ersetzen Sie das Widerstandselement des Sensors (Widerstände R71-R73) durch einen Festwiderstand. Wählen Sie den Wert so, dass die Eingangs- und Ausgangsspannung des Leistungsverstärkers die gleiche Amplitude haben. 9. Stellen Sie sicher, dass der Empfangsverstärker funktioniert. Überprüfen Sie dazu den Modus seines Operationsverstärkers und den Signalfluss. 10. Stellen Sie sicher, dass die Kompensationsschaltung für höhere Harmonische funktioniert. Einstellpotentiometer R74, R75 zur Erzielung eines minimalen Grundschwingungssignals am Ausgang des Empfangsverstärkers. Durch die Wahl eines zusätzlichen Widerstands R8 wird ein Minimum an höheren Harmonischen am Ausgang des Empfangsverstärkers erreicht. In diesem Fall liegt ein gewisses Ungleichgewicht in der Grundschwingung vor. Beseitigen Sie es durch Einstellen der Potentiometer R74, R75 und erreichen Sie erneut ein Minimum an höheren Harmonischen, indem Sie den Widerstand R8 usw. mehrmals auswählen. 11. Stellen Sie sicher, dass die Synchrondetektoren funktionieren. Bei richtig konfiguriertem Sensor und richtig konfigurierter Kompensationsschaltung werden die Ausgangsspannungen der Synchrondetektoren etwa in der Mittelstellung der Potentiometerschieber R74, R75 auf Null gesetzt. Geschieht dies nicht (sofern keine Installationsfehler vorliegen), ist eine Feinabstimmung des Sensorkreises und eine genauere Auswahl seines Widerstandselements erforderlich. Das Kriterium für die korrekte Endjustierung des Sensors ist der Abgleich des Gerätes (also Nullstellung an den Ausgängen von Synchrondetektoren) in der Mittelstellung der Potentiometerschieber R74, R75. Bei der Einstellung ist darauf zu achten, dass in der Nähe des Auswuchtzustands nur Gerät W74 auf die Bewegung des Griffs des Potentiometers R1 und nur Gerät W75 auf die Bewegung des Griffs des Potentiometers R2 reagiert. Wenn sich die Bewegung des Griffs eines der Potentiometer in der Nähe des Auswuchtzustands auf zwei Geräte gleichzeitig auswirkt, sollten Sie sich entweder mit dieser Situation abfinden (das Ausbalancieren des Geräts wird bei jeder Drehung etwas schwieriger). an), oder genauer gesagt, wählen Sie den Wert des Kondensators C14. 12. Stellen Sie sicher, dass die Filter funktionieren. Der konstante Spannungsanteil an ihren Ausgängen sollte 100 mV nicht überschreiten. Ist dies nicht der Fall, sollten Sie die Kondensatoren C35, C37 austauschen (auch beim Folientyp K73-17 gibt es defekte Geräte mit Ableitwiderstand - mehrere zehn Megaohm). Eventuell ist auch ein Austausch der OU D10 und D11 erforderlich. Stellen Sie sicher, dass die Filter auf ein Nutzsignal reagieren, das durch kleine Drehungen der R74- und R75-Regler simuliert werden kann. Es ist praktisch, das Ausgangssignal der Filter direkt mit den Zeigern W1 und W2 zu beobachten. Stellen Sie sicher, dass die Ausgangsspannung der Filter nach Einwirkung von Signalen mit großer Amplitude (spätestens nach einigen Sekunden) auf Null zurückkehrt. Es kann sein, dass eine ungünstige elektromagnetische Umgebung die Einstellung des Geräts erschwert. In diesem Fall führen die Pfeile der Mikroamperemeter zu chaotischen oder periodischen Schwingungen, wenn das Gerät in den Schalterstellungen S1 „Modus 1“ und sh „Modus 2“ eingestellt ist. Das beschriebene unerwünschte Phänomen wird durch Störungen der höheren Harmonischen des 50-Hz-Netzes auf die Sensorspule erklärt. In beträchtlicher Entfernung von Stromleitungen sollten die Pfeile beim Einstellen des Geräts nicht schwanken. Ein ähnliches Phänomen kann auch bei der Selbsterregung des OA von Integratoren beobachtet werden. 13. Stellen Sie sicher, dass der Diskriminator und die Schaltung zur Tonsignalerzeugung funktionieren. 14. Führen Sie eine thermische Kompensation des Sensors durch. Dazu müssen Sie zunächst den Metalldetektor mit einem Widerstand anstelle eines Widerstandssensorelements einrichten und ausbalancieren. Anschließend den Sensor am Heizkörper leicht erwärmen oder im Kühlschrank abkühlen lassen. Beachten Sie, in welcher Position des Schiebereglers des „metallischen“ R74-Potentiometers das Gerät ausgeglichen wird, wenn sich die Temperatur des Sensors ändert. Messen Sie den Widerstand des vorübergehend im Sensor installierten Widerstands und ersetzen Sie ihn durch einen Stromkreis R72, R73, R78 mit einem Thermistor und Widerständen mit solchen Nennwerten, dass der Gesamtwiderstand des angegebenen Stromkreises dem Widerstand des zu ersetzenden Konstantwiderstands entspricht . Halten Sie den Sensor mindestens eine halbe Stunde lang bei Raumtemperatur und wiederholen Sie das Experiment mit einer Temperaturänderung. Vergleichen Sie die Ergebnisse. Wenn sich der Ausgleichspunkt auf der Skala des R74-Schiebers zu einer Seite verschiebt, ist der Sensor unterkompensiert und es ist notwendig, den Einfluss des Thermistors zu erhöhen, wodurch der Nebenschlusseffekt des Widerstands R72 geschwächt wird, wodurch dessen Widerstand erhöht und verringert wird der Widerstandswert des Zusatzwiderstandes R71 (um den Widerstandswert der gesamten Kette konstant zu halten) . Wenn der Ausgleichspunkt für diese beiden Experimente in unterschiedliche Richtungen verschoben wird, ist der Sensor überkompensiert und es ist notwendig, den Einfluss des Thermistors durch Erhöhen der Nebenschlusswirkung des Widerstands R72 abzuschwächen, wozu dessen Widerstand verringert und der erhöht wird Widerstandswert des Zusatzwiderstandes R71 (um den Widerstandswert der gesamten Kette konstant zu halten) . Nachdem mehrere Experimente mit der Auswahl der Widerstände R71 und R72 durchgeführt wurden, muss sichergestellt werden, dass das abgestimmte und ausgeglichene Gerät seine Fähigkeit zum Gleichgewicht nicht verliert, wenn sich die Temperatur um 40 ° C ändert (Abkühlung von Raumtemperatur auf die Temperatur des Kühlschrank mit Gefrierfach). Bei Störungen und Abweichungen im Verhalten einzelner Komponenten des Metalldetektorkreises sollten Sie nach der allgemein anerkannten Methode vorgehen:
Autor: Shchedrin A.I.
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