Рецензия на статью "Ёмкостный датчик приближения"

Емкостные датчики приближения (емкостные реле), работающие по принципу сравнения частот, одна из которых образцовая, а другая – измеряемая, - в которой по мере приближения объекта изменяется частота или фаза, - в практическом плане весьма перспективны, т.к. они имеют малые размеры, технологичны в изготовлении и в них нет необходимости использовать различные намоточные детали – катушки, дроссели и т.п.

И, хотя по своей чувствительности и помехоустойчивости подобные конструкции значительно уступают как дифференциальным датчикам [1,2,3], ( http://www.pandia.ru/432121/ , http://cxem.net/guard/3-59.php ), так и резонансным [1,4,5,6], ( http://cxem.net/guard/3-59.php , Емкостное реле , http://sv6502.narod.ru ), тем не менее, датчики на принципе сравнения частот, могут с успехом использоваться в тех областях, где не требуется высокая чувствительность и помехоустойчивость, например, - в датчиках прикосновения к металлическим предметам, в сигнализаторах уровня жидкости (ванны, бензобаки и т.д.), в некоторых разновидностях охранных сигнализаций и т.п.

Помимо этого, можно расчитывать на появление в недалёком будущем экономичных, специализированных и недорогих микросхем для подобных устройств, что будет способствовать улучшению их технических характеристик и удобству в изготовлении конструкций.

В соответствии со всем этим, публикующиеся время от времени в радиотехнической прессе статьи на тему емкостных датчиков, работающих по принципу сравнения частот, представляют вполне заслуженный интерес, и описываемые в них конструкции повторяются многими радиолюбителями.

Одна из статей на данную тему вышла недавно и в журнале Радио (В. Тушнов, «Ёмкостный датчик приближения», 2012 / 12, стр. 47, 48).

Предложенная конструкция интересна тем, что в ней, для обнаружения приближений используется тоновый декодер NJM567D, использовавшийся, например, в бытовых видеомагнитофонах для стабилизации частоты вращения блока видеоголовок, и обеспечивающий емкостному датчику повышенную, - по сравнению с аналогичными конструкциями, дальность действия.

Однако, в данной статье допущен, к сожалению, ряд неточностей и опечаток (подобное может произойти, например, в случае спешки при подготовке статьи к публикации, особенно в предновогодний период, а также, - если после редактирования статья не направлялась автору для ознакомления и проверки текста; кстати, мой личный опыт публикаций статей свидетельствует о том, что в вышеупомянутом издании, к сожалению, не всегда предоставляется возможность автору проверить текст статьи перед опубликованием, да и с самими статьями «обращение» порой бывает весьма бесцеремонным, например, - и в текст и в схему могут быть внесены изменения даже без согласования с автором).

Заметим, что ошибки и опечатки тем более нежелательны, когда статья выходит на тему важную и практически значимую (создание приборов обнаружения, безусловно является таковой) и потому, корректировка текста и исправление опечаток в подобных случаях бывают совершенно необходимы.

Можно также заметить, что у электронных изданий в этом плане имеются явные приемущества перед печатными т.к. обнаруженные после выхода статей неточности и опечатки, можно оперативно исправить, а вот у «бумажных» изданий на исправление ошибок требуется не один месяц, и ещё неизвестно, «соблаговолит» ли редакция опубликовать в своих последующих журнальных номерах, корректирующий текст с исправлением замеченных неточностей…, во всяком случае направленные мной в редакцию «Радио» два письма с просьбой обратить внимание на допущенные ошибки и исправить их, попросту… остались без ответа.

Остановимся теперь более подробно на неточностях и «ляпсусах», допущенных в статье «Ёмкостный датчик приближения» (его структурная схема представлена на рис.1) и требующих соответствующей корректировки, иначе немалая часть радиолюбителей может попросту оказаться дезинформированной в теме емкостных датчиков приближения…

1. Начнём с явной опечатки в третьем абзаце от начала статьи.

Цитата: «Дальность обнаружения приближаю­щегося человека — не менее 0,5 м (при длине антенны датчика 1 м), что значи­тельно больше, чем, например, у при­бора, выполненного по схеме [5]. В устройстве отсутствуют намоточные изде­лия (катушки индуктивности), что упро­щает его повторение. »

При этом, под номером [5] списка литературы, приведённого в конце текста статьи, указан материал «Емкостное реле» (В. Соломеин, журн. Радио, 2010 / 5, стр. 38,39). Дальность обнаружения в этой конструкции составляет около 1,3 м. и, соответственно, величина 0,5 м. не может быть больше, чем 1,3 м. По-видимому, под обозначением [5] следует понимать [3], - под этим номером в списке литературы представлена статья «Емкостной датчик» (В. Ершов, журн. Радио 2004 / 3, стр. 41,42) и дальность обнаружения у данной конструкции действительно значительно меньше, чем 0,5 м. Ссылка-же [5], очевидно, должна относиться к другой (заключительной) фразе абзаца, которая должна быть представлена в виде: «В устройстве отсутствуют намоточные изделия (катушки индуктивности), в отличие, например от [5]…».

2. Далее, в первом абзаце статьи, описываемое устройство сравнивается по дальности действия с существующими конструкциями емкостных датчиков на частотозадающем LС-контуре. В подобных случаях для сравнения должны выбираться схемы обычные т.е. имеющие характерные для данной конкретной разновидности емкостных реле, параметры. Однако в данном случае, для сравнения почему-то были выбраны простейшие схемы датчиков на частотозадающем LC-контуре, имеющих весьма невысокую чувствительность (в статье они обозначены – [1,2] ).

Цитата: «Такие устройства при мак­симальной дальности обнаружения приближающегося объекта не более 0,1 м обладают весьма низкой стабиль­ностью и малой помехоустойчивостью. Более высокие характеристики имеют ёмкостные датчики, выполненные на основе двух генераторов и работающие по принципу сравнения частоты или фазы колебаний…»

При сравнении описываемого в статье емкостного датчика с обычными схемами емкостных реле на частотозадающем LС-контуре, дальность действия которых составляет от 20 до 50 см., например [3,4,5,6], нетрудно заметить, что разница в чувствительности между предлагаемым датчиком и вышеперечисленными конструкциями по сути отсутствует.

3. Далее, читаем заключительную фразу того-же абзаца: «Лучшие из них (имеются в виду датчики описываемого в статье принципа действия) способны почувствовать приближение человека на расстояни 2 м. »

Но где конкретные примеры подобных конструкций, имеющих столь высокую дальность действия? В статье они почему-то отсутствуют, а без таких примеров у многих радиолюбителей возникают вполне обоснованные сомнения относительно того, что такие конструкции вообще существуют т.к. входы у подобных устройств совершенно не защищены от воздействия радиопомех и наводок, приходящих с антенны-датчика и воздействующих на работу фазового (либо частотного) детектора устройства.

Заметим, что входной узел подобных конструкций представляет собой высокоомную фазосдвигающую цепь и высокоомный усилитель сигнала срабатывания, при этом, как и всякая высокоомная схема, обе вышеупомянутые цепи весьма восприимчивы к разного рода наводкам и радиопомехам.

Так, например, при работе устройства в городских условиях, с работающими теле – радиопередатчиками и прочими индустриально-эфирными воздействиями, суммарный помеховый сигнал, принимаемый антенной-датчиком и никак при этом не фильтрующийся и не подавляющийся на входе, создаёт во многих случаях такое смещение на выходе усилителя сигнала, что тот оказывается совершенно «забитым» и не реагирует на сигналы приближения объектов к антенне.

В рассматриваемой здесь статье «Ёмкостный датчик приближения» работа входного узла описана, к сожалению весьма кратко, и по этой причине многие радиолюбители плохо представляют себе, как-же всё-таки формируется в подобных схемах сигнал к срабатыванию устройства.

Рассмотрим работу входного узла подробно.

Сигнал к срабатыванию формируется во входной фазосдвигающей цепи благодаря свойству любого конденсатора сдвигать по фазе (задерживать на некоторый промежуток времени) поступающий на него электрический сигнал. В данном случае – это переменное, с частотой 15 кГц напряжение, поступающее во входную фазосдвигающую цепь с выхода рабочего генератора. Функции-же конденсатора, осуществляющего сдвиг по фазе вышеуказанного сигнала, выполняет антенна-датчик, имеющая относительно общего провода ёмкость порядка нескольких пФ.

При приближении каких-либо объектов, ёмкость антенны-датчика возрастает и, в результате, - образуется фазовый сдвиг – задержка рабочего (измеряемого) сигнала относительно образцового и возникающий «разбаланс» определяется затем, - схемой фазового детектора как сигнал к срабатыванию устройства.

При всём этом, немаловажным является следующее обстоятельство.

Ёмкость антены-датчика весьма невелика, в зависимости от длины и от сечения провода, её ёмкость составляет величину от 2 до 20 пФ и для того, что-бы изменения ёмкости антенны, вызванные приближениями объектов, могли оказывать существенное влияние на исходный сигнал, тот должен подаваться во входную цепь через довольно значительное сопротивление (емкостное либо резистивное), величина которого должна быть соизмерима с емкостным сопротивлением антенны на рабочей частоте.

В рассматриваемой статье сигнал с выхода генератора во входную цепь подаётся через цепочку: конденсатор 120 пФ - подстроечный резистор 470 кОм.

Сопротивление в цепи генератор - антенна довольно существенно (а с учётом ограниченного входного сопротивления схемы фазового детектора - многократно) ослабляет рабочий сигнал генератора и потому между выходом фазосдвигающей цепи и входом фазового детектора требуется установка усилителя сигнала. В рассматриваемой статье использован двухтранзисторный усилитель по схеме ОС – ОЭ с полевым транзистором на входе.

И, как уже было отмечено выше, - высокое входное сопротивление и отсутствие какой-бы то ни-было селективности (избирательности) на входе подобных устройств, значительно ограничивает их помехоустойчивость и дальность действия.

5. Можно отметить и ещё одно упущение в описании данной конструкции.

В тексте статьи почему-то не указан такой важный параметр, как Jпотр., от которого во многом зависит область применения любого устройства, и для многих радиолюбителей остаётся неясным, - могут ли подобные конструкции работать от батарей, или они будут «привязаны» к сетевому БП (или к сравнительно дорогим аккумуляторам).

Судя по описанию (даташиту) к микросхеме NJM567D, её Jпотр. составляет более 7 мА. При таком потребляемом токе, устройство, даже от хороших щелочных батарей пальчикового типа, проработает лишь 2 – 3 недели (в непрерывном режиме) и потому, подобные конструкции должны питаться либо от БП либо от аккумуляторов.

Добавим также, что в качестве стабилизатора напряжения питания датчика использована микросхема LM317L2, собственный ток потребления которой, с учётом регулировочных резисторов, - составляет более 5 мА, помимо этого, минимальная разница между входным и выходным напряжением у микросхем этого типа также велика и составляет 5 В.

Несмотря на все вышеперечисленные упущения в изложении текста статьи и огрехи в её редактировании, статья «Ёмкостный датчик приближения» может, без сомнения, представлять весьма значимый интерес для радиолюбителей.

Надо полагать, редакция журнала Радио не оставит без комментариев и разъяснений те фрагменты текста статьи, которые вызывают у радиолюбителей вопросы, и опубликует в ближайших номерах журнала (или хотя-бы на своём сайте или форуме) соответствующие пояснения и дополнения.

Если-же статья будет оставлена в её сегодняшнем виде, то это будет означать неуважение как по отношению к автору вышеозначенной статьи, так и по отношению к радиолюбителям.

Литература.

[1]: И. Глузман. Реле присутствия (журн. Моделист-Конструктор 1981 / 1, с.41, 42).
[2]: Сайт Паяльник / схемы / охранные устройства… «Емкостные датчики приближения»
[3]: А. Ацюковский. Емкостные дифференциальные датчики перемещения. (Госэнергетическое изд-о, Москва, 1960г ).
[4]: Патент на изобрет-е №2419159 , «Резонансное емкостное устройство для охранной сигнализации», (ссылки Роспатента: Описание, Реестр изобретений РФ).
[5]: В. Соломеин. Емкостное рале (журн. Радио 2010 / 5, с.38,39).
[6]: В. Соломеин. Емкостные датчики приближения (журн. Радиомир 2012, № 6,7).
[7]: В. Табунщиков. Емкостное реле (журн. Радиолюбитель 1993 / 5, с.26).
[8]: Н. Мустафаев. Бесконтактное емкостное реле (журн. Моделист-Конструктор 1980 / 5, с.39).
[9]: И. Шелестов Емкостной датчик (Радиолюбителям: полезные схемы, вып.1, с. 87 – 89, изд-о Солон-Р, Москва, 2000г).
[10]: В. Рубцов Устройство охранной сигнализации (журн. Радиолюбитель 1992 / 8, с.26).

Автор: В.П. Соломеин, svp105@yandex.ru, г. Екатеринбург, 620016, А/Я №97.