Электроизмерительный прибор

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для использования в системах с автоматическим сбором информации о значениях измеряемых величин. Прибор содержит корпус, измерительный механизм с обоймой и подвижной частью, стрелочный указатель, шкалу с отметками, емкостной датчик, образованный стрелочным указателем и нанесенными на шкалу неподвижными токопроводящими электродами. Совокупность электродов представляет собой дугообразный слой, разделенный пазами на части. Эти элементы объединены в два электрода, каждый из которых соединен с отдельной дополнительной клеммой. Пазы между электродами выполнены с возможностью дифференциального и монотонного изменения емкостей между стрелкой и каждым из электродов. Выходные емкости датчика могут быть равны между собой, а мостовая измерительная схема может быть уравновешена при максимальном отклонении стрелки. На шкале вне области, охватываемой стрелкой, может располагаться дополнительный элемент одного из электродов с обеспечением равенства площадей поверхностей электродов. Прибор характеризуется повышенными чувствительностью, точностью и помехоустойчивостью. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано в системах с автоматическим сбором информации о значениях измеряемых величин.

Известны электроизмерительные приборы (см., например, в кн. Аналоговые электроизмерительные приборы: Учеб. пособие для вузов/Дмитриев Ф.С., Киселева Е. А. , Лебедев Г.П. и др.; Под ред. А.А. Преображенского. - М.: Высш. школа, 1979. - 352 с.), содержащие корпус, закрепленную в нем обойму, относительно которой перемещается подвижная часть с установленным на ней стрелочным указателем, шкалу с нанесенными на ней метками, цифрами и обозначениями, прикрепленную к обойме прибора. При перемещении подвижной части прибора стрелка изменяет свое положение относительно отметок шкалы, представляя информацию о входной величине для визуального считывания человеком.

Однако аналоговые электроизмерительные приборы такого типа преобразуют измеряемую величину только в перемещение стрелочного указателя относительно отметок шкалы, что не позволяет использовать их в системах с автоматизированным сбором информации, где необходимо представлять измерительную информацию в виде электрического сигнала.

Известны стрелочные электроизмерительные приборы с контактными группами (см. , например, Справочник по электроизмерительным приборам; Под ред. К.К. Илюнина, Л., "Энергия", 1977, с. 382 - 387), содержащие, как и предлагаемое устройство, корпус, измерительный механизм, состоящий из обоймы и установленной в ней подвижной части, подключенный к рабочим клеммам прибора, стрелочный указатель, закрепленный на подвижной части прибора, шкалу с нанесенными на ней отметками, цифрами и обозначениями, закрепленную на обойме. Кроме того, известные приборы содержат контактную группу, которая замыкает дополнительную электрическую цепь прибора при достижении стрелкой определенного положения. Это положение задается в зависимости от типа известных приборов либо при изготовлении, либо механическими регуляторами в корпусе прибора.

Недостатком известных приборов является низкая надежность работы контактной группы, увеличение погрешности показаний приборов в момент замыкания контактов, ограниченное количество контактных групп в приборе (не более двух в известных приборах), что приводит к большой дискретности определения положения стрелки на шкале прибора по замыканию контактных групп.

Наиболее близким к предлагаемому является электроизмерительный прибор по а. с. СССР 1308018, кл. G 01 R 35/00 (ДСП), содержащий, как и предлагаемый прибор, корпус, измерительный механизм, состоящий из обоймы и установленной в ней подвижной части, подключенный к рабочим клеммам прибора, стрелочный указатель, закрепленный на подвижной части прибора, электрически соединенный с минусовой клеммой прибора, шкалу с нанесенными на ней отметками, цифрами и обозначениями, закрепленную на обойме и изолированную от нее, встроенный емкостной датчик, образованный стрелкой и нанесенной на шкалу системой неподвижных электродов из токопроводящего материала.

Недостатком прототипа является невозможность определения положения стрелки относительно отметок шкалы при произвольном характере изменения входного сигнала прибора, связанная с тем, что выходной параметр емкостного датчика имеет подобные максимумы значений при нахождении стрелки над каждым радиальным слоем емкостного датчика. Идентификация слоя, над которым находится в данный момент стрелка, возможна только при монотонном изменении входного сигнала, когда стрелка проходит над слоями последовательно, что сильно сужает область применения таких приборов.

Стрелочные электроизмерительные приборы используются для измерений широкого диапазона значений токов и напряжений и представляют информацию в виде, удобном для считывания человеком. Но для использования в системах с автоматическим съемом показаний при помощи электронных и микропроцессорных устройств такие приборы не приспособлены. Функционирование различных систем на промышленных и хозяйственных объектах контролируется с помощью групп измерительных приборов со стрелочными указателями, объединяемых в информационные щиты. Количество приборов на щитах может достигать нескольких десятков. Информация, предoставляемая стрелочными указателями, считывается визуально оператором, который должен постоянно находиться у щита, контролируя состояние системы и принимая необходимые меры в экстренных ситуациях. Поэтому при решении возникающих при работе системы проблем возможны ошибки, связанные с субъективной оценкой ситуаций и замедленной реакцией оператора. Все дополнительные возможности по аварийному блокированию элементов системы, частичной автоматизации контроля и управления, запоминанию и документированию значений измеряемых параметров реализуются путем введения в систему дополнительного аппаратного обеспечения, часто очень сложного. Поэтому для многих задач управления объектами, в которых контролируются значения измеряемых приборами параметров, требуется обеспечить два типа представления разнородной измерительной информации. Во-первых, в виде перемещения стрелки прибора относительно оцифрованных отметок шкалы, удобном для визуального считывания человеком-оператором. Во-вторых, в виде напряжения, изменяющегося в зависимости от значения входной величины, которое удобно использовать в автоматических системах контроля либо напрямую, либо после аналого-цифрового преобразования. Использование для этих целей стрелочных электроизмерительных приборов с емкостным датчиком положения стрелки позволит намного упростить структуру создаваемых управляющих и контрольно-измерительных систем, а также модифицировать уже функционирующие системы с минимальными аппаратными затратами.

Технический результат - получение электроизмерительного прибора с многофункциональным емкостным датчиком положения стрелки, для чего необходимо обеспечить возможность определения местоположения стрелки относительно отметок шкалы в любой момент времени при произвольном входном сигнале, а также как можно более высокую чувствительность, точность и помехоустойчивость датчика.

Электроизмерительный прибор содержит корпус, измерительный механизм, подключенный к рабочим клеммам прибора, состоящий из обоймы и установленной в ней подвижной части, стрелочный указатель, закрепленный на подвижной части прибора, электрически соединенный с минусовой клеммой прибора, шкалу с нанесенными на ней отметками, цифрами и обозначениями, закрепленную в обойме и изолированную от нее, емкостной датчик, образованный стрелочным указателем и нанесенными на шкалу неподвижными электродами из токопроводящего материала.

Возможность определения положения стрелки относительно отметок шкалы обеспечивается наличием в приборе емкостного датчика, сформированного подвижным электродом - стрелкой и системой неподвижных электродов, наносимой на шкалу и электрически изолированной как от шкалы, так и от остальных элементов конструкции прибора. Система неподвижных электродов представляет собой дугообразный с центром на оси вращения стрелки слой, разделенный по крайней мере одним пазом на несколько отдельных частей. Эти элементы электрически объединяются в два электрода, причем каждый из электродов соединен с отдельной дополнительной клеммой. Форма пазов между элементами электродов определяет характер зависимости выходных емкостей датчика от угла поворота стрелки прибора.

Благодаря наличию в приборе емкостного датчика положения стрелки, у которого система неподвижных электродов на шкале имеет вид дугообразного слоя, разделенного по крайней мере одним пазом на два электрода, выходными параметрами прибора дополнительно становятся электрические емкости между стрелкой и неподвижными электродами. Причем при форме пазов между электродами такой, что площади перекрытия электродов и стрелки при ее движении в одну сторону изменяются монотонно и дифференциально друг относительно друга, выходные емкости электродов будут изменяться также дифференциально и монотонно. Это позволяет использовать мостовые преобразователи для преобразования значений емкостей, снимаемых с клемм прибора, что намного увеличивает чувствительность датчика. Так как выходные емкости датчика с поворотом стрелки изменяются дифференциально и монотонно, то это позволяет привести в однозначное соответствие угловое положение стрелочного указателя прибора и значения емкостей на выходах датчика. Следовательно, зная зависимость выхода датчика от угла поворота стрелки, можно по показаниям датчика в любой момент времени определить местоположение стрелки на шкале прибора, причем каждому угловому положению стрелки будет соответствовать одно и только одно значение на емкостных выходах датчика.

В частном случае исполнения пазы между элементами неподвижных электродов могут быть выполнены так, что при максимальном отклонении стрелки прибора выходные емкости датчика будут равны между собой. Если мостовая измерительная схема датчика уравновешена при максимальном отклонении стрелки, то ее выходной сигнал в этой точке шкалы будет инвариантен к изменению напряжения питания моста, зазора между стрелкой и шкалой, угла наклона стрелки к шкале. Погрешности датчика от всех этих возмущений будут иметь мультипликативный характер и учитываются при помощи поправочного коэффициента, который определяется по отклонению показаний датчика от номинального значения при отсутствии входного сигнала измерительного прибора. Тем самым повышается точность определения местоположения стрелки относительно отметок шкалы.

В другом частном случае исполнения при помощи дополнительных элементов неподвижных электродов, которые располагаются вне области шкалы, охватываемой стрелкой, добиваются того, чтобы площади поверхностей электродов были равны между собой. При этом изменения выходных емкостей, вызываемые внешними возмущающими воздействиями (например, перемещением предметов вблизи прибора), равны между собой и взаимно компенсируются в мостовой измерительной схеме, что повышает помехоустойчивость датчика.

На фиг. 1 изображен пример конфигурации системы неподвижных электродов на шкале электроизмерительного прибора с емкостным датчиком положения стрелки; на фиг. 2 - представлены графики выходных напряжений датчика положения стрелки электроизмерительного прибора при различных зазорах между стрелкой и шкалой d.

Электроизмерительный прибор содержит корпус, измерительный механизм, подключенный к рабочим клеммам прибора и состоящий из обоймы и установленной в ней подвижной части, стрелочный указатель, закрепленный на подвижной части прибора и электрически соединенный с минусовой рабочей клеммой прибора, шкалу 1 (фиг. 1) с нанесенными на ней отметками, цифрами и обозначениями, закрепленную в обойме и изолированную от нее, емкостной датчик положения стрелки, образованный стрелочным указателем и нанесенными на шкалу неподвижными электродами из токопроводящего материала. Система неподвижных электродов электрически изолирована как от шкалы, так и от остальных элементов конструкции прибора и представляет собой дугообразный с центром на оси вращения стрелки слой, разделенный по крайней мере одним пазом на отдельные части, электрически объединенные в два электрода, причем каждый из двух полученных электродов (2 и 3) соединен с отдельной дополнительной клеммой.

В предпочтительном варианте исполнения элементы неподвижных электродов имеют такую форму, что при максимальном отклонении стрелки выходные емкости датчика равны между собой, а мостовая измерительная схема датчика в этой точке уравновешена.

В другом варианте исполнения на шкале вне области, охватываемой стрелкой, располагается дополнительный элемент одного из неподвижных электродов 4, так что площади поверхностей электродов равны между собой.

Электроизмерительный прибор работает следующим образом. Под действием измеряемого сигнала подвижная часть прибора поворачивается, и стрелка изменяет свое положение относительно отметок шкалы 1 и системы неподвижных электродов 2 и 3. Причем форма электродов выполняется такой, что при движении стрелки площадь перекрытия стрелки и одного из электродов (например, 2) увеличивается, как и соответствующая выходная емкость датчика, а другого электрода (3) - уменьшается вместе с соответствующей емкостью. Форма пазов (одного или нескольких) между электродами определяет чувствительность датчика в каждой точке выходной характеристики. Наиболее универсальной является форма паза, при которой зависимость выходных емкостей от угла поворота стрелки прибора прямо пропорциональная. При выполнении условия равенства емкостей между стрелкой и электродами в точке крайнего отклонения стрелки упрощается процедура учета дополнительных погрешностей датчика. Если мостовая измерительная схема уравновешена в точке равенства емкостей, то расположение этой точки на выходной характеристике не будет изменяться от напряжения питания, зазора между стрелкой и шкалой и т.п. Изменение выходной характеристики от внешних воздействий будет носить в основном мультипликативный характер с центром в точке равновесия схемы. Учесть это изменение можно путем измерения выходного сигнала датчика при отсутствии входного и внесения поправочного коэффициента. Дополнительный элемент одного из неподвижных электродов 4 служит для повышения помехоустойчивости датчика к внешним воздействиям.

Электроизмерительный прибор с встроенным емкостным датчиком положения стрелки прошел апробацию на кафедре ИВК УлГТУ в лабораторных условиях. В качестве базового был использован амперметр М42100 магнитоэлектрической системы, шкала которого была изготовлена из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 мм. Дугообразный слой имел граничные радиусы (внутренний - внешний) 9 - 40 мм и был разделен пазом шириной 1 мм на два электрода так, чтобы емкостные характеристики датчика были близки к прямо пропорциональным. Стрелка шириной 2 мм, длиной 40 мм, закрепленная на подвижной части прибора, была электрически соединена с штатной минусовой клеммой прибора. В крайне правом положении стрелки площади перекрытия ей электродов были равны. При снятии характеристик датчика использовались: программируемый калибратор П320, цифровой вольтметр В7-34А, низкочастотный генератор сигналов Г3-109. В качестве измерительной схемы датчика применен шестиплечий мост переменного тока с диодным кольцом, уравновешенный в точке максимального отклонения стрелки. Использованная схема приведена в кн. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин: Учебное пособие для вузов - Л.: Энергоатомиздат, 1983. Мост запитывался переменным напряжением 16В, 45 кГц. Графики зависимостей выходного напряжения датчика U от угла поворота стрелки а при различных значениях зазора между стрелкой и шкалой прибора d представлены на фиг. 2.

Апробация подтвердила достижение технического результата: возможность определения положения стрелки относительно отметок шкалы при произвольном характере изменения входного сигнала электроизмерительного прибора; повышение чувствительности емкостного датчика положения стрелки прибора за счет использования мостовых измерительных схем; возможности повышения точности и помехоустойчивости датчика при обеспечении равенства выходных емкостей в точке максимального отклонения стрелки и площадей неподвижных электродов за счет размещения на шкале дополнительного элемента одного из них.

Формула изобретения

1. Электроизмерительный прибор, содержащий корпус, измерительный механизм, подключенный к рабочим клеммам прибора и состоящий из обоймы и установленной в ней подвижной части, стрелочный указатель, закрепленный на подвижной части прибора и электрически соединенный с минусовой рабочей клеммой прибора, шкалу с нанесенными на ней отметками, цифрами и обозначениями, закрепленную в обойме и изолированную от нее, емкостной датчик положения стрелки, образованный стрелочным указателем и нанесенными на шкалу неподвижными электродами из токопроводящего материала, электрически изолированными от шкалы и от остальных элементов конструкции прибора, отличающийся тем, что система неподвижных электродов представляет собой дугообразный с центром на оси вращения стрелки слой, разделенный, по крайней мере, одним пазом на отдельные части, электрически объединенные в два электрода, причем каждый из двух полученных электродов соединен с отдельной дополнительной клеммой.

2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что элементы неподвижных электродов имеют такую форму, что при максимальном отклонении стрелки выходные емкости датчика равны между собой, а мостовая измерительная схема датчика в этой точке уравновешена.

3. Прибор по п.1, отличающийся тем, что на шкале вне области, охватываемой стрелкой, расположен дополнительный элемент одного из неподвижных электродов, так что площади поверхностей электродов равны между собой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2