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, емкостный датчик, образованный стрелочным указателем и нанесенными на шкалу неподвижными электродами из токопроводящего материала. Совокупность неподвижных электродов представляет собой дугообразный слой, разделенный пазами на несколько частей. 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 неподвижных электродов в окрестности контролируемых положений стрелки и равенства емкостей между собой в самих контролируемых положениях. В этом случае в датчике можно использовать мостовые преобразователи значений емкостей, что намного увеличивает чувствительность и помехоустойчивость датчика. 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. Преображенского А.А. -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 информация в виде электрического сигнала.

Известны стрелочные электроизмерительные приборы с контактными группами (см., например, Справочник по электроизмерительным приборам, под ред. Илюнина К.К. -Л.: Энергия, 1977, с. 382-387), содержащие, как и предлагаемое устройство, корпус, измерительный механизм, состоящий из обоймы и установленной в ней подвижной части и 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 контролируемого положения. Это положение задается, в зависимости от типа известных приборов, либо при изготовлении, либо при помощи механических регуляторов в корпусе прибора.

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

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

Недостатком прототипа является низкая чувствительность и помехоустойчивость емкостного датчика, связанная с тем, что датчик имеет недифференциальную структуру, а преобразование емкости производится с помощью генератора переменной частоты.

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 контролируются с помощью групп измерительных приборов со стрелочными указателями, объединенных в информационные щиты. Количество приборов на щитах может достигать нескольких десятков. Информация, представляемая 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 изменяемых 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 с некоторой (часто высокой) дискретностью 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 немного упростить структуру создаваемых управляющих и контрольно-измерительных систем, включая системы автоматизированной градуировки и поверки стрелочных приборов, а также модифицировать уже функционирующие системы с минимальными аппаратными затратами.

Технический результат - получение электроизмерительного прибора с емкостным датчиком положения стрелки, для чего необходимо обеспечить его высокую чувствительность и помехоустойчивость.

Электроизмерительный прибор содержит корпус, измерительный механизм, подключаемый 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 клеммой прибора, шкалу с нанесенными на ней отметками, цифрами и обозначениями, закрепленную в обойме и изолированную от нее, емкостный датчик, образованный стрелочным указателем и нанесенными на шкалу неподвижными электродами из токопроводящего материала.

Возможность определения моментов нахождения стрелки в контролируемых положениях обеспечивается наличием в приборе емкостного датчика, сформированного подвижным электродом - стрелкой и системой неподвижных электродов, наносимой на шкалу и электрически изолированной от шкалы и от остальных элементов конструкции прибора. Система неподвижных электродов представляет собой дугообразный с центром на оси вращения стрелки слой, разделенный пазами на несколько отдельных частей. Эти элементы электрически объединяются в два электрода, и каждый из электродов соединен с отдельной дополнительной клеммой.

Благодаря наличию в приборе емкостного датчика положения стрелки, у которого система неподвижных электродов на шкале имеет вид дугообразного слоя, разделенного пазами на два электрода, выходными параметрами прибора дополнительно становятся электрические емкости между стрелкой и неподвижными электродами. Причем при форме пазов между электродами такой, что в окрестности контролируемых положений стрелки выходные емкости датчика изменяются дифференциально и монотонно, можно использовать мостовые преобразователи для преобразования значений емкостей, снимаемых с клемм прибора, что намного увеличивает чувствительность датчика. Если мостовую схему уравновесить при контролируемых положениях стрелки (в которых выходные емкости равны между собой), то в этих точках выходное напряжение моста будет обращаться в ноль и не будет зависеть от напряжения питания схемы и зазора между стрелкой и шкалой, являющимися в данной системе помехами. Таким образом, анализируя выходной сигнал мостовой измерительной схемы датчика можно определить моменты прохождения стрелкой контролируемых положений. Датчик при этом будет иметь высокую чувствительность и помехоустойчивость.

Изобретение поясняется чертежами: фиг.1, на которой изображен пример конфигурации системы неподвижных электродов на шкале электроизмерительного прибора с емкостным датчиком положения стрелки; фиг. 2, на которой представлены графики выходного напряжения положения стрелки электроизмерительного прибора при различных амплитудах напряжения питания измерительной схемы.

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 клеммой прибора, шкалу 1 (фиг. 1) с нанесенными на ней отметками, цифрами и обозначениями, закрепленную на обойме и изолированную от нее, емкостный датчик, образованный стрелочным указателем и нанесенными на шкалу неподвижными электродами 2 из токопроводящего материала, электрически изолированными от шкалы и от остальных элементов конструкции прибора. Система неподвижных электродов представляет собой дугообразный с центром на оси вращения стрелки слой, разделенный пазами на несколько отдельных частей. Эти элементы электрически объединяются в два электрода (2 и 3), причем каждый из двух полученных электродов соединен с отдельной дополнительной клеммой. Формы пазов между электродами подбираются с возможностью дифференциального и монотонного изменения емкостей между стрелкой и каждым из неподвижных электродов в окрестности контролируемых положений стрелки и равенства емкостей между собой в самих контролируемых положениях.

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 из токопроводящего материала 2 и 3, ориентированных относительно отметок шкалы. При этом емкости между стрелкой и неподвижными электродами изменяются дифференциально и монотонно при нахождении указателя в окрестности контролируемых положений 4, а в самом контролируемом положении становятся равными. Получаемый емкостный выходной сигнал снимается с соответствующих клемм - минусовой и дополнительных, и далее преобразуется мостовой измерительной схемой. По сигналу с мостовой схемы можно определить моменты прохождения стрелкой контролируемых положений и нахождения стрелки в их окрестности.

Электроизмерительный прибор с емкостным датчиком положения стрелки прошел апробацию на кафедре ИВК УлГТУ в лабораторных условиях. В качестве базового был использован амперметр M42100 магнитоэлектрической системы, шкала которого была изготовлена из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 мм. Электроды датчика имели форму, аналогичную представленной на фиг.1. Стрелка шириной 2 мм, длиной 40 мм, закрепленная на подвижной части прибора на расстоянии 1,1 мм от поверхности шкалы, электрически соединена с штатной минусовой клеммой прибора. 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 записывался переменным напряжением 16 В, 45 кГц. Графики зависимостей выходного напряжения датчика U от угла поворота стрелки альфа при различных значениях амплитуды напряжения питания мостовой схемы U_п представлены на фиг.2. Точки равенства 0 выходного напряжения соответствуют положениям стрелки, при которых емкости между ней и электродами на шкале равны между собой.

Апробация подтвердила достижение технического результата: - обеспечение возможности определения момента прохождения стрелкой контролируемых положений относительно отметок шкалы; - повышение чувствительности и помехоустойчивости за счет использования дифференциальной структуры датчика и мостовой измерительной схемы; - повышение точности определения момента прохождения стрелкой контролируемых положений за счет инвариантности выходного сигнала в них напряжению питания схемы и зазору между стрелкой и шкалой.

Формула изобретения

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, емкостный 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 пазами на несколько отдельных частей, электрически объединенных в два электрода, причем каждый из двух полученных электродов соединен с отдельной дополнительной клеммой, а формы пазов между электродами подобраны с возможностью дифференциального и монотонного изменения емкостей между стрелкой и каждым из неподвижных электродов в окрестности контролируемых положений стрелки и равенства емкостей между собой в самих контролируемых положениях.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2