автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.05, диссертация на тему:Разработка и исследование электроизмерительных приборов со встроенным емкостным датчиком положения стрелки

HS

На правах рукописи

с.

e\

федоров дмитрий леонидович

разработка и исследование электроизмерительных приборов со встроенным емкостным датчиком положения стрелки

Специальность 05 Л 1.05 - Приборы и методы измерения электрических и магнитных величин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ульяновск - 1998

Работа выполнена на кафедре "Измерительно-вычислительные комплексь Ульяновского государственного технического университета.

Защита диссертации состоится 16 декабря 1998г. в 11:00 на заседании сп< циализированного Совета Д 064.21.01 в Ульяновском государственном тсхгага ском университете по адресу 432027, г.Ульяновск, ул. Северный Венец, 3! ауд.211

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ульяновского госуда] ственного технического университета.

Автореферат разослан "_" ноября 1998г.

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент Г. В. Медведев

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор И. П. Гринберг

кандидат технических наук, доцент А. А. Широков

Ведущее предприятие

Ученый секретарь специализированного Совета, доктор технических наук

Соснин П.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Стрелочные электроизмерительные приборы являются самыми массовыми средствами измерений, выпускаемыми промышленностью большими партиями. К настоящему времени разработчиками и производителями таких приборов накоплен большой конструктивно-технологический потенциал. Среди преимуществ стрелочных приборов можно выделить: широкий

/-»Т-ГСЫ/Т^ tío» »ЙЛ»тт»Г TV Т>ЛТТТТТТТ1ТТ í/'Atr/vrt>irVmiT» t» Г> t ТЛАГ/П п TtiKQítrTTnnTT r»r\a тт

Vli^lVl^/ i^JldW^AWiUUlA Ilv;lll 11Ш, IWllVl^/j IVHIlíl 11 UUiU^iVU/i ииДк,Л\.1ШСХО)

ставление информации в удобном для визуального считывания виде, небольшие габариты и масса, низкая стоимость.

Повышение конкурентоспособности стрелочных приборов на рынке средств измерений возможно за счет расширения их функциональных, возможностей, позволяющих использовать их в автоматизированных системах измерения, контроля и управления. Для этого стрелочный прибор должен иметь возможность представлять информацию об измеряемом сигнале не только поворотом стрелки, но и в виде электрического сигнала. Приборы с такими дополнительными свойствами позволят автоматизировать процедуры контроля, обработки и документирования информации на объектах типа приборных щитов без применения дорогостоящих цифровых измерительных средств.

Известен ряд способов считывания показаний стрелочных приборов и преобразования их в электрический сигнал. Однако, ни один из них не используется в производстве ввиду наличия недостатков, среди которых высокая стоимость, ограничения по условиям применения. Наиболее приемлемым для применения в производстве является емкостной метод считывания показаний с использованием элементов прибора в качестве электродов емкостного датчика.

Це лью риботы является разработка и исследование стрелочных электроизмерительных приборов, содержащих встроенные емкостные датчики положения стрелки и имеющих возможность сопряжения с внешними устройствами -микропроцессорными контроллерами, ПЭВМ, устройствами отображения и сигнализации.

Эта цель достигается решением следующих основных задач:

1. Разработка конструктивных вариантов исполнения емкостного датчика положения стрелки, состоящего из подвижного электрода - стрелки и неподвижного - токопроводящей маски на шкале прибора, предназначенного для решения различных задач автоматизации съема показаний с прибора.

2. Разработка и исследование математических моделей емкостных датчиков положения стрелки, позволяющих получить функции преобразования для информативной составляющей выходной емкости датчика с различными формами неподвижных электродов.

3. Исследование факторов, влияющих на чувствительность и погрешности емкостного датчика положения стрелки, с целью обоснования выбора форм неподвижных электродов для повышения чувствительности и помехозащищенности датчика.

4. Выбор и обоснование измерительных схем для емкостных датчиков положения стрелки, обладающих высокой чувствительностью, стабильностью характеристик и малыми габаритами.

5. Разработка алгоритмов сбора и обработки измерительной информации и структурных схем сопряжения предложенных приборов с различными внешними устройствами, в том числе в приборных щитах.

Методы выполнения исследований. Работа выполнена с использованием методов теории функций комплексного переменного, теории погрешностей средств измерений, численных методов интегрирования. Математическое моделирование, обработка а анализ экспериментальных результатов проводились с помощью программы численного моделирования элекгромагнитных полей Тега Analysis QuickField v.3.40a, системы проектирования электронных устройств Mi-croSirn Design Lab v.7.1, программной среды математического моделирования MathSoft MathCAD Pro v.7.0.

Достоверность полученных результатов подтверждена в ходе испытаний макетов разработанных приборов, изготовленных на производственной базе АО "Электроприбор" г.Чебоксары.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:

1. В результате исследования возможных способов считывания показаний стрелочных электроизмерительных приборов установлено, что для задач контроля положения стрелки прибора в процессе его функционирования и передачи измерительной информации в каналы обработки и управления целесообразно использовать емкостной съем показаний, причем в качестве электродов емкостного датчика следует применять элементы прибора.

2. В зависимости от вида решаемых задач при автоматизации функционирования контрольно-измерительных систем, содержащих стрелочные приборы, выделены базовые варианты исполнения встроенных емкостных датчиков и получены в аналитическом виде функции преобразования для информативной составляющей их выходной емкости.

3. На основе анализа чувствительности и погрешностей базовых вариантов исполнения встроенных емкостных датчиков указаны пути повышения их чувствительности и помехозащищенности, с использованием которых разработаны конструкции, защищенные патентами РФ.

4. Для базовых вариантов исполнения встроенных емкостных датчиков произведен выбор и обоснование измерительных схем, не ухудшающих помехозащищенность, имеющих возможность размещения внутри щитового прибора с размером наличника (80x80) мм и более, а также обеспечивающих получение выходного сигнала в виде, удобном для дальнейшей обработки.

5. Разработаны алгоритмы обработки измерительной информации и структурные схемы сопряжения электроизмерительных приборов со встроенным емкостным датчиком положения стрелки с внешними устройствами для основных задач применения предложенных приборов, а также с учетом различных вариантов их исполнения и выбранных измерительных схем.

Практическая ценность работы состоит в том, что:

I. Получены рекомендации по повышению чувствительности и помехозащищенности встроенных емкостных датчиков, на основе которых разработаны вари-

анты исполнения датчиков и приборов, защищенные патентами РФ (решения выдаче патентов по заявкам №96121757, №96121758, №96121749, №97115971

2. Даны рекомендации по выбору элементной базы измерительных схем, обесп чивающие их размещение внутри ЩЭП с размером наличника (80x80) мм и б лее. _

3. Разработаны и изготовлены на базе серийных ЩЭП типа М42100 приборы встроенными емкостными датчиками, обеспечивающие выходной сигнал в bi де переменного напряжения с изменяющейся "«литотой y^vj t >—>j к* ц uf двухполяриом питании ±9В; в виде переменного напряжения с изменяющей амплитудой ±30мВ при питании ~20В, 16кГц; в виде напряжения постоянно1 тока, изменяющегося от 0 до 0,4В при питании -16В, 45кГц.

4. На основе изготовленных приборов разработан действующий макет автомат зированного приборного щита, состоящий из 3 приборов, подключенных чер< интерфейсный блок к ПЭВМ, позволяющий вычислительному устройству hi прерывно получать информацию о показаниях приборов па щите.

5. Даны рекомендации по конструктивной доработке щитовых электроизмер! тельных приборов и приборных щитов с целью автоматизации съема показ; ний.

Реализация результатов работы. Результаты работы использованы в хо; договорных НИР, проводимых кафедрой "Измерительно-вычислительные ко\ плексы" Ульяновского государственного технического университета совместно АО "Электроприбор" г.Чебоксары (per. № УлГТУ 12-39/95, № г.р. 0198000649: ИНВ. № 029800046^5 per. № VttFTV 12-44/Q6. Vo rn ОЮЙрППбЛО? тш» л 02980004634), в госбюджетных НИР по программам "Конверсия и высокие те> нологии 1994-1996г.г." (№ г.р. 01970002148, шге.№> 02970001126), "Конверсия высокие технологии 1997-2000г.г.", раздел "Информатика и связь", а также пр изготовлении опытных образцов приборов и приборных щитов на АО "Электре прибор" г.Чебоксары.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуж дались на научно-технической конференции с международным участием' "Про

блемы промышленных электромеханических систем и перспективы их развития" (г.Ульяновск, 1996г.), на научной конференции "Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем" (г.Пенза, 1996г.), на Всероссийской межвузовской научно-технической конференции "Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике" (г.Чебоксары, 1996г.), на межвузовском семинаре "Автоматизация ТП и производств. Точность, качество и надежность конструкций и технических систем" (г.Самара, 1997г.), на ежегодных научно-технических конференциях Ульяновского государствешгого технического университета.

Основные положения, выносимые не защиту:

1. Функции преобразования для информативной составляющей выходной емкости датчика положешгя стрелки при основных конструктивных вариантах его исполнения.

2. Результаты исследования чувствительности, погрешностей емкостного датчика и обоснование форм его неподвижных электродов доя повышения чувствительности и помехозащгацешюсти.

3. Результаты выбора и обоснования измерительных схем для емкостных датчиков положения стрелки щитовых приборов.

4. Алгоритмы обработки информации и структурные схемы сопряжения стрелочных электроизмерительных приборов с внешними устройствами для различных задач применения приборов.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ, из них 4 положительных решения о выдаче патента РФ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списки литературы нз 110 каименовэ1ШЙ и 3 приложений, содержит 166 страниц машинописного текста и 58 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определены цель и задачи работы, обоснована ее актуальность, приведен обзор известных методов решения поставленных задач и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе производится математическое моделирование встроен-

с.

ного емкостного датчика (ВЕД) положения стрелки щитового электроизмерительного прибора (ЩЭП) при различных формах неподвижных электродов, функционально обеспечивающих автоматизацию решения основных контрольно-измерительных задач на промышленных объектах.

Конструктивно ВЕД состоит из подвижного электрода, которым является стрелка 1ДЭП, и одного или нескольких неподвижных электродов, выполняемых в виде токопроводящих слоев, нанесенных на лицевую поверхность шкалы. Все электроды электрически изолированы друг от друга к соединяются с отдельными клеммами в приборе. Для этого необходимо обеспечить возможность электрического соединения подвижной стрелки с одной из клемм в корпусе. Выходным сигналом ВЕД являются емкости между подвижным и каждым из неподвижных электродов. Количество и формг последних определяют вид выходной характеристики ВЕД и функциональные возможности усовершенствованного ЩЭП, а также чувствительность V помехозащищенность.

В данной работе выделены базовые варианты исполнения ВЕД, определяемые видом решаемых задач автоматизации функционирования контрольно-измерительных систем, а также различиями в схемах преобразования выходны> емкостей в электрический сигнал. Формы неподвижных электродов на шкал£ ГцЭП для базовых вариантов ВЕД изображены на рис.1. Экспериментальные зависимости выходных емкостей ВЕД с неподвижными электродами рис.1 от углг поворота подвижного электрода (стрелки) схематично представлены соответственно на рис.2.

Рис.1. Варианты формы неподвижных электродов ВЕД

\

V

/

90

а).

б)-

в).

Рис.2. Экспериментальные фафшси зависимостей выходных емкостей ВЕД с неподвижными электродами вида рис.1 от угла поворота стрелки

При математическом моделировании ВЕД принимается, что его выходи, емкость складывается из двух составляющих:

Свд = Сп0СТ+Сперем(а) , (1)

где Споет - постоянная составляющая, которая формируется при взаимодействй неподвижных электродов и конструктивных элементов ЩЭП, электрически св. занных со стрелкой, но не участвующих в формировании полезного сигнала ВЕ^ СПсрем(а) - переменная составляющая, формирующаяся при электрическом вза! модействии рабочих площадей электродов ВЕД, изменяющаяся при поворо: стрелки на угол а относительно начального положения.

Теоретический расчет Споа- является трудноразрешимой задачей из-: сложной конфигурации конструктивных элементов ЩЭП, поэтому для каждм типа прибора эту величину следует определять экспериментально.

При исследовании зависимости Сперен от угла поворота стрелки а с цель получения математического описания выходной характеристики ВЕД были пр1 менены различные-методы расчета емкости. С помощью программы Тега Апа1уь ри1скБ1е1с1 \'.3.40а получены картины распределения напряженности элсктрич ского поля в сечении электродов ВЕД (рис.3).

Рис.3. Распределение напряженности электрического поля в окрестности сечения электродов ВЕД с неподвижными электродами типа рис.1,а

Однако, возможности программы <3шс1с1че1с1 не позволяют моделировать поля трехмерных неплоскопараллельных систем электродов со сложной конфигурацией. Поэтому результаты программного моделирования полей между электродами ВЕД использовались лишь для их качественного анализа.

Метод конформных преобразований позволяет рассчитать емкость между проводниками с учетом краевых эффектов, область его применения ограничивается плоскопараллельными системами электродов. Так как электроды ВЕД не являются готескопараллельнымк, то при использовании метода для расчета выходной характеристики ВЕД необходимо вводить некоторые допущения, снижающие точность моделирования. Кроме того, выражения, получаемые методом конформных преобразований, оказываются очень сложными, непригодными для практического применения.

Исследования показали, что основная часть выходной емкости ВЕД формируется между площадями перекрытия электродов (рис.3), а для получения математического выражения зависимости Спсрем от угла поворота стрелки а можно использовать известную модель плоского конденсатора, которая обеспечивает приемлемую точность моделирования при достаточно простых результирующих выражениях. При этом ВЕД с формой неподвижных электродов рис.1,а рассматривался как емкостной датчик с переменным зазором между электродами, а с формами рис. 1,6,в - как емкостной датчик с переменной площадью перекрытия электродов.

В результате расчетов для ВЕД с электродами типа рис.1,а получено выражение для емкости между стрелкой и одним из шдиага-лшх спо?р. неподвижного электрода:

Ап , . . х _ )

(2)

С =--Ео"_аС_

2-8Ь(|3/2)

4<рн '•Т'/ ф„

где а- - ширина стрелки, П - угол между осями стрелки и радиального слоя, В, фв, ф„ - функции геометрических параметров электродов ВЕД и угла р. Тогда

Cnepe„(a) = Í;C(a,(|>¡), (3)

W

где а - угол поворота стрелки, cp¡ - угол поворота i-ro радиального слоя относительно начального положения стрелки, п - количество радиальных слоев, C(a,cp¡) ■ значение емкости между стрелкой, отклонившейся на угол а от начального положения, и i-м радиальным слоем, найденное по формуле (2). Сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными показало наличие погрешности модели не более 10%.

Для ВЕД с формой неподвижных электродов рис. 1,6 получены формулы описывающие изменение площади перекрытия электродов при повороте стрелка в окрестности паза между неподвижными электродами. Анализ распределение линии напряженности электрического поля между электродами ВЕД показал, чте основное влияние на формирование выходной емкости оказывает именно взаимодействие электродов в пределах площади их перекрытия. Исходя из этого, с использованием формулы емкости плоского конденсатора в программной срсд< MathSoft MathCAD Pro v.7.0 была построена математическая модель выходное характеристики ВЕД при нахождении стрелки в окрестности паза между неподвижными электродами. Эксперименты показали, что погрешность модели не превышает 10%.

В ВЕД с формой неподвижных электродов рис.1,в площадь перекрытш электродов зависит от формы паза. Емкости между стрелкой и неподвижным! электродами (внутренним и внешним) можно найти с помощью формулы дго плоского конденсатора:

сВнугР = ^-(г(а)-гвну1р-а); Свнеш = -^-(гвкеш-г(а)-а), (4)

где b - ширина стрелки, d - расстояние между стрелкой и шкалой, г(а) - расстоя ние от оси вращения стрелки до средней линии паза при повороте на угол а о-начального положения стрелки, 2-а - ширина паза, гвнутр, гвиеш - соответственно внутренний и внешний радиусы неподвижных электродов рис.1,в. Эксперимен

галыю установлено, что выражения (4) описывают выходную характеристику ВЕД с погрешностью не более 5%.

Таким образом, в первой главе произведено математическое описание функций преобразования ВЕД с базовыми формами неподвижных электродов, выделенными в соответствии с видами решаемых задач автоматизации контрольно-измерительных процессов, имеющее погрешности порядка 5-10%. Расчеты и экспериментальные исследования показали, что для 1ЦЭП тиПа М42100 с разменом наличника (80x80) мм при постоянной составляющей выходной емкости ВЕД порядка 2-4пФ значение переменной информативной составляющей не превышает 0,2-0,ЗпФ. Столь малые значения выходных емкостей требуют разработки мер по повышению чувствительности и помехозащищенности ВЕД.

Во второй главе исследованы чувствительность ВЕД, источники их погрешностей, а также разработаны конструкции ВЕД, обеспечивающие повышение чувствительности и помехозащищенности датчика.

Исследования полученных в первой главе диссертации математических моделей функционирования базовых вариантов исполнения ВЕД выявили основные параметры, влияющие на его чувствительность, и способы ее повышения:

1. Зазор между электродами ВЕД. Для ЩЭП зазор между электродами является конструктивным параметром - расстоянием между стрелкой и шкалой, который контролируется при изготовлении и не может быть изменен.

2. Площадь перекрытия электродов ВЕД. Подвижным электродом ВЕД является конструктивный элемент - стрелка прибора, форма и размеры которой неизменны и определены в соответствующих технических условиях на ЩЭП. Форма неподвижных электродов на шкале может быть выбрана произвольно для решения поставленной измерительной задачи. Исследования показали, что для выбранных базовых вариантов формы неподвижных электродов ВЕД (рис.1) максимальная чувствительность достигается при следующих соотношениях размеров электродов:

• для формы рис.1,а - ширина радиального слоя равна ширине стрелки, при этом экстремумы выходной характеристики ВЕД будут наиболее ярко выраженными;

• для формы рис. 1,6 - ширина паза между неподвижными электродами равна ширине стрелки, в этом случае в окрестности паза выходная характеристика будет иметь наибольшую крутизну;

• для формы рис.1,в - ширина паза между неподвижными электродами минимальна, насколько это позволяет сделать используемая производственная технология, при этом площадь перекрытия электродов ЕД увеличится, что приведет к повышению чувствительности.

3. Диэлектрические свойства среды между электродами ВЕД. Между электродами ВЕД в ЩЭП всегда находится воздух, диэлектрические свойства которого можно считать неизменными.

При рассмотрении точностных характеристик ВЕД были исследованы температурные, инструментальные погрешности, а также погрешности от вибраций и

внешних воздействий. Установлено, что:

• температурные погрешности от изменения размеров конструктивных элементов ВЕД и диапазоне от - 50°С до +50оС не превышают 0,2% и частично компенсируются при дифференциальной структуре неподвижных электродов;

• инструментальные погрешности от неточного выполнения формы электродов и рисунка на шкале при использовании технологии серийного производства не превышают 0,2% и пренебрежимо малы для ЩЭП класса 1.0 и ниже;

• инструментальные погрешности от неточной установки зазора между электродами не влияют на функционирование ВЕД с формами электродов типа рис.1,а,б; при использовании формы типа 1,в эти погрешности приводят к изменению выходной характеристики ВЕД, а именно чувствительности и линейности;

• вибрационные воздействия при сбалансированности подвижной части ЩЭП не приводят к заметным искажениям выходного сигнала ВЕД;

• погрешность от внешних воздействий вызывается двумя основными источниками - элементами конструкции 1ЦЭП, находящимися вблизи электродов ВЕД, и внешними телами, приближающимися к корпусу ЩЭП снаружи.

Для исключения влияния элементов конструкции ЩЭП на выходную характеристику ВЕД предложено покрыть обратную сторону шкалы слоем токо-проводящего материала, электрически соединенным со стрелкой и выполняющим функцию экрана. Экспериментально установлено, что можно добиться уменьшения влияния на ВЕД с дифференциальной структурой помех, поступающих извне, если неподвижные электроды будут иметь равные площади. При этом изменения выходных емкостей ВЕД от внешних воздействий будут примерно одинаковыми и скомпенсируются в разностной измерительной схеме.

С учетом результатов проведенных исследований были разработаны и экспериментально проверены формы неподвижных электродов, позволяющие повысить чувствительность и помехозащищенность ВЕД, уменьшить погрешности, расширить функциональные возможности. Некоторые из них схематично представлены на рис.4.

а). б). в).

Рис.4. Варианты формы неподвижных электродов.

Неподвижный электрод рис.4,а включает в себя изолированные друг от друга радиальные слои, по ширине равные стрелке, и проводящую подложку на обратной стороне шкалы, электрически соединенную со стрелкой. ВЕД с такой маской позволяет определить моменты прохождения стрелки над каждым радиальным слоем. '

Неподвижный электрод рис.4,б состоит из нескольких изолированных дугообразных слоев, разделенных радиальными пазами шириной, равной ширине стрелки, на два электрода каждый. Для повышения помехозащищенности на обратной стороне шкалы расположена экранирующая подложка, а площади электродов каждого дугообразного слоя равны между собой. ВЕД с маской рис.4,б может выдавать информацию о расположении стрелки ЩЭП в виде двоичного кода.

Неподвижный электрод ркс.4,в состоит из нескольких дугообразных слоен, разделенных узким пазом на два электрода каждый аналогично форме рис.1,в. Соответствующие электроды слоев электрически соединены между собой. На обратной стороне шкалы находится экранирующая подложка, а площади двух составных неподвижных электродов равны. Функционально форма электродов рис.4,в аналогична рисЛ,в - выходные емкости дифференциальны и пропорциональны углу поворота стрелки. Характерной точкой выходной характеристики ВЕД с такой формой электродов является положение стрелки, при котором выходные емкости равны между собой. При наличии экранирующей подложки на обратной стороне шкалы и равенстве площадей неподвижных электродов эта точка будет совпадать с моментом равенства площадей перекрытия стрелки и электродов на шкале. В этой точке (при использовании формы рис.1,в) разность выходных емкостей не зависит от зазора между стрелкой и шкалой при сохранении его равномерности по длине стрелки. Преимущество формы электродов рис.4,в в том, что на ширине одного дугообразного слоя зазор между стрелкой и шкалой можно считать равномерным даже пои нарушении папаллельности плоскостей шкалы и стрелки. Таким образом, расположение точки равенства емкостей па выходной характеристике датчика с формой электродов рис.4,в не изменится при любом зазоре между стрелкой и шкалой, что снижает инструментальную погрешность ВЕД и повышает линейность его выходной характеристики.

Исследование чувствительности и погрешностей базовых вариантов исполнения ВЕД позволило определить пути повышения их чувствительности и помехозащищенности, в результате чего на макетах ВЕД, собранных на базе ЩЭП ти-

па М42100 с размером наличника (80x80) мм, получены следующие характеристики: для формы электродов типа рис.1,в, 4,в достигнута чувствительность порядка 0,006 пФ на 1° поворота стрелки; для форм типа рис.4,а,б разность между максимальным и минимальным значениями выходной емкости составила 0,4-0,5пФ. Помехозащищенность ВЕД при этом такова, что можно подносить предметы к лицевой поверхности ЩЭ11 на расстояние 10см без внесения искажений в выходной сигнал. Разработанные улучшенные конструктивные варианты ВЕД

Однако, для практического применения разработанных конструкций ВЕД необходимо выбрать измерительные схемы, обладающие высокой чувствительностью и не ухудшающие помехозащищенность датчика.

В третьей главе произведен выбор и обоснование измерительных схем (ИС) для различных типов ВЕД.

Все разработанные в предыдущих главах ВЕД можно разделить ка недифференциальные, у которых изменяется только одна емкость (рис.1,а, 4,а), и дифференциальные, у которых две выходные емкости изменяются дифференциально (рис. 1,6,в, 4,б,в), что определяет тип и параметры используемых в них ИС. Требованиями к ИС являются высокая чувствительность, т.к. информативный сигнал ВЕД очень мал, и компактность, чтобы схему можно было разместить внутри корпуса ЩЭП. В соответствии с этими условиями был произведен их выбор.

Для недифференцкальных ЕД удобно использовать схемы автоколебательных ЬС- и ЯС - генераторов, в которых и качестве частотозадающек емкости включен ВЕД. Был изготовлен макет ЩЭП с ВЕД и ЬС - генератором, исследование которого показало, что из-за малой емкости между электродами ВЕД (несколько десятков пФ) и уровня информативного сигнала, составляющего единицы пФ, параллельно ВЕД в ИС необходимо включать дополнительную высокостабильиую емкость. Это позволяет повысить стабильность и помехозащищенность ВЕД. Катушка индуктивности при этом должна содержать небольшое число витков для уменьшения влияния на схему межвитковых емкостей. Од-

нако, эти меры приводят к повышению частоты колебаний автогенератора, что снижает помехоустойчивость и усиливает влияние на выходной сигнал паразитных емкостей. Для собранного макета ЩЭП была подобрана номинальная частота генерации 20МГц и схема IX - генератора, питание и выходной сигнал которой передаются по одной шине для уменьшения длины соединительных проводов.

Также предъявляемым требованиям к ИС ВЕД удовлетворяют мостовые схемы на переменном токе, где в двух плечах - емкости, а в двух других - резисторы. Они имеют высокую чувствительность и небольшие размеры. При недифференциальной структуре ВЕД он включается в одно из плеч моста, а для другого плеча можно использовать емкость между неподвижным электродом и проводящей подложкой на обратной стороне шкалы. В случае дифференциальной структуры ВЕД выходные емкости помещаются в различные плечи мостовой схемы. Для установки моста в равновесное состояние при требуемых положениях стрелки (например, при соосности с радиальными пазами неподвижных электродов рис. 1,6, 4,6), сопротивления его резистивных плеч должны быть переменными.

Наилучшим образом решает задачу преобразования дифференциальных выходных емкостей ВЕД в напряжение постоянного тока ИС с кольцевым диодным выпрямителем, изображенная на рис.5.

■лм,—[> 4-

С4

Рис.5. ИС с кольцевым диодным выпрямителем

В этой схеме к одной диагонали диодного кольца подсоединены неподвижные электроды (точки А и С), стрелка при этом заземлена (точка В). Выходной сигнал снимается с конденсатора С4, который вместе с резистором К2 образует пассивный фильтр, подавляющий на выходе переменную составляющую, идущую с питаюхцего генератора. Схема обладает высокой чувствительностью, позволяющей получить значения выходного напряжения ВЕД в пределах 0-0,5В без дополнительного усиления.

С целью повышения помехозащищенности в И С ВЕД следует использовать электрорадиоэлементы поверхностного монтажа и располагать их на обратной стороне шкалы, минимизируя количество и длину соединительных проводов.

Таким образом, разработанные конструкции ВЕД с выбранными ИС позволяют получить информацию о положении стрелки ЩЭП относительно отметок шкалы в виде электрического сигнала. Далее эта информация с одного или нескольких ВЕД поступает на вычислительное устройство и обрабатывается в соответствии с решаемой контрольно-измерительной задачей.

В четвертой главе разработаны структурные схемы и алгоритмы сопряжения ВЕД, встроенных в ЩЭП, с внешними устройствами, в частности,' в составе приборного щита.

Схема подключения ВЕД к вычислительному устройству (например, ЭВМ) определяется формой неподвижных электродов ВЕД, типом используемой в нем ИС, а также решаемой контрольно-измерительной задачей. Например, ВЕД с формой электродов рисЛ,а и ИС на базе ЬС - генератора был разработан для автоматизации поверки ЩЭП. Структура системы в этом случае имеет вид рис.6.

В такой системе высокочастотный сигнал с ИС ВЕД (Д) подается на АЦП частота-код непосредственно или через управляемый микропроцессором коммутатор (К) в случае подключения одновременно нескольких ЩЭП с ВЕД. Данные в двоичном коде поступают на магистралыгую типу микроЭВМ для запоминания и обработки. Одновременно ЭВМ управляет источником калиброванного сигнала (ИКС), задающим отклонение стрелки ЩЭП. При этом реализуется стандартный

алгоритм определения вариации показаний и погрешности ЩЭП в поверяемы> точках.

Рис.6. Структура системы автоматизированной поверки ЩЭП

Система рис.6 содержит характерные для всех вариантов сопряжения ВЕД. с внешними устройствами элементы: коммутатор К для подключения к одном) каналу данных нескольких ВЕД, АЦП для преобразования сигнала с ВЕД к двоичному виду. В некоторых случаях (например, ВЕД с формой электродов рис.4,( и ИС рис.5), когда выходной сигнал ВЕД имеет только два устойчивых информативных состояния (высокий и низкий уровень), вместо АЦП можно применит! схему преобразования сигнала к ТТЛ - уровню, выход которой подается нспо средственно на шину данных ЭВМ.

Для решении задач определения положения стрелки ЩЭП относительнс отметок шкалы с точностью до сектора следует использовать ВЕД с формам! электродов типа рис. 1,6, 4,а,б и ИС рис.5 или мостовыми с фазочувствительньа выпрямителем на выходе. Формы типа рис.1,в, 4,в нужно применять с ИС рис.; для точного определения угла поворота стрелки.

В некоторых случаях при обработке сигнала с ВЕД можно воспользоваться линейностью его .выходной характеристики в окрестности характерных точи (моменты соосности стрелки с радиальным пазом неподвижных электродов тип: рис. 1,6, 4,6 или слоем электродов типа рис.1,а, 4,а) для уточнения местоположе

ния стрелки ЩЭП. На рис.7 представлен алгоритм уточнения положения стрелки при использовании ВЕД с маской рис.4,а и мостовыми ИС с фазочувствительным выпрямителем на выходе. Измерительные мосты и выпрямители настроены так, что до момента соосности стрелки и радиального слоя неподвижных электродов выходной сигнал соответствующей ИС положителен, в момент соосности равен нулю, а после этого момента - отрицателен, причем в окрестности нуля характер изменения выходного сигнала близок к линейному.

Начало

Опрос всех ИС ВЕД - Ю (¡=1 ..п)

] Нахождение | первого по ' ходу стрелки | К]<0Ц=Г.п)

Рис.7. Алгоритм уточнения местоположения стрелки на шкале

Все возможные алгоритмы обработки информации с ЩЭП можно разделить на две группы:

1. Работа в реальном времени. В этом случае информация поступает на ЭВМ непрерывно, и на ее основании принимаются управляющие решения. Алгоритм обработки имеет следующие основные этапы:

• прием данных с ВЕД;

• корректировка и уточнение принятой информации на основании априорны* данных о функции преобразования ВЕД;

• сравнение полученной информации о состоянии объекта с контрольным! значениями;

• если объект вышел из требуемого режима - оповещение оператора, формирование управляющих воздействий по нормализации состояния объекта; если состояние объекта в норме - прием следующих данных с ВЕД.

2. Накотгние информации для последующей обработки. В этом случае ЭВА/ принимает и накапливает информацию с ВЕД в течение определенного време ни, по прошествии которого она обрабатывается и обобщается (например, до кументирустся). Для оптимизации использования машинного времени можнс применять буферные устройства сбора и хранения данных с ВЕД, которые ш мере накопления информации передают ее в ЭВМ. Структурная схема такоп буферного устройства была разработана в данной диссертационной работе.

Одним из актуальных приложений ЩЭП с ВЕД является автоматизаци: считывания показаний с приборных щитов. Пример структуры приборного щита оборудованного ЩЭП с ВЕД приведен на рис.8. Здесь Д - ВЕД с цифровым вы ходом; К - концентрирующий блок; КД - канал данных; МП - микропроцессор ный блок обработки информации.

В данной диссертации с помощью булевых переменных описана математи ческая модель автоматизированного приборного щита. На основании этой модел математически сформулированы задачи построения и оптимизации структур! щита, а также разработаны алгоритмы и программа для ПЭВМ их решения. Оп

Рис.8, структура автоматизированного приборного щита

тимизация может проводиться как по обобщенным, так и частным критериям (например, минимизация стоимости). Были разработаны рекомендации по формированию структуры вновь разрабатываемых автоматизированных приборных щитов, а также по усовершенствованию уже существующих.

Был изготовлен макет автоматизированного приборного щита, в состав которого входили 3 ШЭП типа М42100. оснащенные ВЕД с формой электродов рис.1,в, подключенные к ПЭВМ через концентрирующий блок - управляемый многоканальный АЦП. Для получения и декодирования информации с ВЕД была разработана программа связи для ПЭВМ, текст которой приведен в приложении к диссертационной работе. Исследование макета доказало возможности решения с помощью автоматизированного приборного щита различных контрольно-измерительных задач.

В приложении I представлен текст программы формирования и оптимизации структуры автоматизированного приборного щита на языке PASCAL. В при-ложении 2 представлен текст на языке PASCAL и результаты работы программы связи изготовленного макета автоматизированного приборного щита с ПЭВМ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Выведены функции преобразования емкостного датчика положения'стрелки для основных вариантов исполнения его неподвижных электродов - недйффе-

ренциального, дифференциального с дискретным и монотонным изменением выходных сигналов. Экспериментальные исследования макетов датчиков показали, что погрешность расчетных функций в области их применимости не превышает 10%.

2. Исследованы параметры и внешние воздействия, влияющие на чувствительность емкостного датчика, и основные источники его погрешностей. Разработаны способы повышения чувствительности и минимизации погрешностей ем-коси* ого датчика.

3. Разработаны и экспериментально исследованы формы неподвижных электродов, обеспечивающие высокую чувствительность и помехозащищенность емкостного датчика положения стрелки для основных задач его применения.

4. Выбраны и экспериментально исследованы измерительные схемы для основных вариантов исполнения емкостных датчиков положения стрелки щитовых приборов, обладающие высокой чувствительностью, помехозащищенностью и малыми габаритами для встраивания внутрь корпуса прибора.

5. Разработаны структурные схемы сопряжения измерительных приборов с емкостными датчиками положения стрелки с внешними устройствами и ЭВМ для сбора и обработки информации о показаниях приборов. Разработаны алгоритмы приема и уточнения информации с датчиков положения стрелки на ЭВМ.

6. Разработан и изготовлен макет приборного щита, состоящего из трех стрелочных измерительных приборов, сопряженных с ПЭВМ. Разработана программа для ПЭВМ приема и индикации получаемых с макета данных.

7. На разработанные конструкции емкостных датчиков потр/чено 4 положительных решения о выдаче патента РФ. Результаты исследований использованы при проведении хоздоговорных работ с АО "Электроприбор", г.Чебоксары для изготовления опытных образцов измерительных приборов с расширенными функциональными возможностями, а также госбюджетных НИР в рамках программ "Конверсия я высокие технологии 1994-1996г.", "Конверсия и высокие технологии 1997-2000г." раздел "Информатика и связь".

Материалы диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Федоров Д.Л., Медведев Г.В. Выбор и обоснование расчетных схем емкостных датчиков угла положения стрелки измерительного прибора // Тез. докл. XXX научно-технической конференции УлГТУ. - Ульяновск: Изд. УлГТУ, 1996. -4.1. - с.7-9.

2. Медведев Г.В., Федоров Д.Л. Стрелочные измерительные приборы с расширенными функциональными возможностями И Тез. докл. Всероссийской межвузовской каучнс-технической конференции "Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике". Чувашский государственный университет, г.Чебоксары. - Чебоксары: Изд. Чувашского РЦНИТ, 1996. - с.46-48.

3. Федоров Д.Л., Медведев Г.В. Разработка конструкции и расчет функции преобразования емкостных датчиков угла положения стрелки измерительного прибора // Сб. докл. науч. конф. "Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем". Под ред. А.М.Тартаков-ского, А.В.Блинова. - Пенза: Изл. Пенз. гос. техн. ун-та, 1996. - с.70-71.

4. Медведев Г.В., Федоров Д.Л. Щиты электроизмерительных приборов с кодовым информационным выходом // Тез. докл. науч.-техн. конф. с междунар. участием "Проблемы промышленных электромеханических систем и перспективы их развития". Под ред. А.Л.Кислицына. - Ульяновск: Изд. УлГТУ, 19?6. - с.93-95.

5. Медведев Г.В., Федоров Д.Л. Расширение функциональных возможностей стрелочных электроизмерительных приборов П Сб. статей "Измерительные преобразователи и информационные технологии". Под ред. Гусева В.Г. Уфа: Гилем, 1996. -с.93-102.

5. Медведев Г.В., Федоров Д.Л. Автоматизация считывания информации с щитов электроизмерительных приборов // Труды межвуз. семинара "Автоматизация ТП и производств. Точность, качество и надежность конструкций и технических систем". Самара, 1997, - с. 12-15.

1. Патент по заявке №97115971/28(017138) Электроизмерительный прибор / Медведев Г.В., Федоров Д.Л., Шивринский В.Н., Мишин В.А. - Решение о выдаче патента от 29.09.97.

8. Патент по заявке №96121757/09(028527) Электроизмерительный прибор / Медведев Г.В., Федоров Д.Л., Шивринский В.Н., Мишин В.А. - Решение о выдаче патента от 12.11.96.

9. Патент по заявке №96121758/09(028528) Электроизмерительный прибор I Медведев Г.В., Федоров Д.Л., Шивринский В.Н., Мишин В.А. - Решение о выдаче патента от 12.11.96.

10.Патент по заявке №96121749/09(028531) Электроизмерительный прибор I Медведев Г.В., Федоров Д.Л., Шивринский В.Н., Мишин В.А. - Решение о выдаче патента от 12.11.96.

11 .Разработка и изготовление электроизмерительных приборов с расширенными функциональными возможностями и автоматизированных информационных щитов на их основе. Отчет по НИР, программа "Конверсия и высокие технологии 1994-1996г.г.", раздел "Информатика и связь", рук. В.А. Мишин, исп. В.Н, Шивринский, Д.Л.Федоров, № г.р. 01970002148, инв. № 02970001126, Ульяновск: УлГТУ, 1997.

12. Федоров Д.Л. Автоматизация контроля объектов с помощью щитов электроизмерительных приборов // Тезисы докладов XXXI научно-технической конференции УлГТУ. - Ульяновск: Изд. УлГТУ, 1997. - ч.1. - с.13-14.

13. Федоров Д.Л. Емкостный датчик для считывания показаний стрелочных электроизмерительных приборов /7 Методы и средства преобразования и обработка информации: Сборник научных трудов аспирантов и докторантов / Под ред Л.И. Волгина. - Ульяновск: УлГТУ, 1998. - с.41-49.

14. Разработка и изготовление автоматизированных информационных щитов. Отчет по НИР №12-33/96 рук. В.А. Мишин, исп. В.Н. Шивринский, Д.Л.Федоров № г.р. 01980006492, инв. № 02980004634, Ульяновск: УлГТУ, 1997.

15. Разработка щитовых электроизмерительных приборов с расширенными функциональными возможностями и измерительно-вычислительных средств дш обработки их сигналов, контроля и регулировки. Отчет по НИР №12-39/95 рук В.А. Мишин, исп. В.Н. Шивринский, Д.Л.Федоров, № г.р. 01980006493, инв. Jt 02980004635, Ульяновск: УлГТУ, 1S96.

Типография УлГТУ, 432027, Ульяновск, ул. Северный Венец, 32, Тираж ] 00 экз. Заказ 3W

Министерство общего и профессионального образования РФ Ульяновский государственный технический университет

На правах рукописи

ФЕДОРОВ ДМИТРИЙ ЛЕОНИДОВИЧ

УДК 621.317.089

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ СО ВСТРОЕННЫМ ЕМКОСТНЫМ ДАТЧИКОМ ПОЛОЖЕНИЯ СТРЕЛКИ

Специальность 05.1 1.05 - Приборы и методы измерения электрических и магнитных величин

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

11аучиыи руководитель:

кандидат технических наук, доцент, Медведев Геннадий Викторович

Ульяновск - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................................................................................................................4

ГЛАВА ПЕРВАЯ. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЕМКОСТНОГО ДАТЧИКА ПОЛОЖЕНИЯ СТРЕЛКИ.............................. 15

1.1. Функция преобразования емкостного датчика с гребенчатым неподвижным электродом .............................................................................. 15

. -1.2. Функция преобразования дифференциального емкостного датчика.. 28

1.3. Функция преобразования емкостного датчика с монотонным изменением выходного сигнала..................................................................... 39

1.4. Результаты и выводы................................................................................ 44

ГЛАВА ВТОРАЯ. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ФОРМБ1 НЕПОДВИЖНОГО ЭЛЕКТРОДА ЕМКОСТНОГО ДАТЧИКА ПОЛОЖЕНИЯ СТРЕЛКИ................................................................................................. 46

2.1. Чувствительность емкостного датчика.................................................. 46

2.2. Исследование погрешностей емкостного датчика положения стрелки... 52

2.3. Разработка и исследование форм неподвижного электрода для чувствительных и помехозащищенных емкостных датчиков положения стрелки.................................................................................. 66

2.4. Результаты и выводы................................................................................ 78

ГЛАВА ТРЕТЬЯ. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ

СХЕМ ДЛЯ ЕМКОСТНЫХ ДАТЧИКОВ ПОЛОЖЕНИЯ СТРЕЛКИ 81

3.1. Применение высокочастотных ЬС- и 11С - генераторов...................... 81

3.2. Мостовые измерительные схемы............................................................ 85

3.3. Измерительные схемы с кольцевым диодным выпрямителем............ 92

3.4. Результаты и выводы................................................................................ 99

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ. СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ И АЛГОРИТМЫ СОПРЯЖЕНИЯ С ВНЕШНИМИ УСТРОЙСТВАМИ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ С ЕМКОСТНЫМИ ДАТЧИКАМИ ПОЛОЖЕНИЯ СТРЕЛКИ....................................................................... 102

4.1. Случай монотонного изменения входного сигнала прибора..............................102

4.2. Произвольное изменение входного сигнала прибора....................................................108

4.3. Построение и оптимизация структуры приборного щита с предложенными электроизмерительными приборами........................................................................116

4.4. Результаты и выводы ..............................................................................................................................................................128

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................................................................................................................131

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..............................................................................................................................................................135

ПРИЛОЖЕНИЯ..............................................................................................................................................................................................145

ВВЕДЕНИЕ

Стрелочные электроизмерительные приборы являются самыми массовыми средствами измерений, выпускаемыми промышленностью большими партиями, причем спрос на такие приборы остается на высоком уровне ввиду их незаменимости при решении многих контрольно-измерительных задач. Среди преимуществ стрелочных приборов можно выделить следующие:

• широкий спектр измеряемых величин;

• простота конструкции и высокая надежность, позволяющая применять такие приборы непосредственно на контролируемом объекте;

• представление информации в удобном для визуального считывания виде; ® небольшие габариты и масса, низкая стоимость.

Развитие стрелочных приборов шло и идет, в основном, по пути улучшения их метрологических и эксплуатационных характеристик, расширения функциональных возможностей. В этих направлениях основными производителями накоплен большой опыт, обеспечивающий высокое качество серийно выпускаемых приборов.

В последние годы стал развиваться еще один тип электроизмерительных устройств - электронные цифровые измерительные приборы, имеющие очень высокую точность и большие функциональные возможнос ти. Одним из важных преимуществ таких устройств перед стрелочными приборами является внутреннее аналого-цифровое преобразование измеряемой величины, позволяющее использовать цифровые приборы в системах с обработкой данных в двоичном коде, в частности, микропроцессорных.

В связи с постоянным расширением областей применения алгоритмов автоматизированной обработки измерительной информации, встает задача усовершенствования стрелочных измерительных приборов так, чтобы стало возможным использование их в автоматизированных системах измерения, контроля и управления в случае невозможности или невыгодности использования стандартных цифровых приборов. Разработка стрелочных приборов с воз-

можностыо получения информации об измеряемой величине в виде электрического сигнала или цифрового кода позволила бы вывести существующие контрольно-измерительные системы на качественно новый уровень автоматизации без полного пересмотра их структуры. Л использование усовершенствованных стрелочных приборов вместо электронных при проектировании новых систем снизило бы их стоимость, не ограничивая функциональных возможностей.

Существуют различные подходы к решению задачи получения информации об измеряемой величине в виде электрического сигнала или цифрового кода. Наиболее распространенным является преобразование измеряемой величины в нормированный сигнал с помощью электронных устройств и дальнейшая его обработка с целыо формирования управляющих воздействий на объект, а также отображения, сигнализации и документирования [73, 26, 29, 48, 105]. Стрелочные электроизмерительные приборы при этом используются 'только как индикаторы и могут подключаться либо к входной величине параллельно основному преобразователю, либо к нормированному выходу самого преобразователя. По такому принципу строятся цифровые измерительные приборы, а также промышленные контроллеры. Структурная схема системы с описанной конфигурацией представлена на рис.1,а.

Достоинствами такой компоновки системы являются:

• высокая точность измерения входной величины;

• большая номенклатура существующих преобразователей и сопрягаемых с ними средств обработки и отображения сигналов;

• независимость работы электронного преобразователя от стрелочного прибора.

К недостаткам можно отнести:

• необходимость использования отдельного преобразователя для каждой входной величины;

• влияние преобразователя на измеряемый сигнал;

• при последовательном включении стрелочного прибора - прекращение индикации в случае отказа преобразователя;

Объект

Преобразователь

('истома управления, отображения

а).

Объект

Преобразователь

Система управления, отображения

б).

Рис.1. Варианты конфигурации контрольно-измерительной системы с применением стрелочных приборов

• при параллельном включении стрелочного прибора - функциональная избыточность системы. Следует также отметить, что задача автоматизации поверки стрелочных приборов, являющаяся актуальной при их эксплуатации, средствами такой системы не решается.

При другом подходе к решению задачи получения информации о входной величине в виде нормированного электрического сигнала пли цифрового кода, в качестве первичного преобразователя используется измерительный механизм самого стрелочного прибора. Он преобразует входной сигнал в перемещение указателя (стрелки), которое далее может быть приведено с помощью дополнительных устройств к требуемому виду. Структура системы с такой конфигурацией изображена на рис. 1,6.

В такой постановке задача близка к проблеме автоматизации градуировки и поверки стрелочных электроизмерительных приборов, которая обсуждает-

ся в литературе уже более 20 лет ([33, 6-25, 40, 46, 85, 62|). Основным »опросом, не позволяющим автоматизировать затратную и трудоемкую процедуру новерки стрелочных приборов, является считывание их показании без участия оператора ([1-5]).

Известны три основных способа автоматизированного считывания показаний со шкал стрелочных приборов:

• фото' и I с ктр и • I ее к и й;

• телевизионный;

• параметрический.

Фотоэлектрический способ был разработан первым [50, 86]. Он основан на использовании различных одноэлементных фотоприемников, сигнализирующих о прохождении стрелкой некоторого положения относительно отметок шкалы, либо фиксирующих перемещение стрелки в следящем режиме. Наиболее существенными недостатками этого способа являются:

• необходимость точной установки блоков фотоприемника относительно шкалы прибора;

• низкая надежность из-за использования механических и электромеханических блоков перемещения фотоприемника;

• сложная перестройка на новый тип прибора;

• высокая стоимость и лабораторный характер используемого оборудования.

: Более перспективным считается телевизионный способ считывания показаний, основанный на обработке изображений контролируемого прибора, полученных с телевизионной камеры. Наиболее полно методы телевизионного считывания показаний стрелочных приборов рассмотрены в работах научного коллектива под руководством Ю.Г.Свинолупова [13, 27, 91, 92]. Развитие этого способа связано с появлением малогабаритных телевизионных камер на вакуумных и твердотельных элементах в совокупности с развитием вычислительной техники. Однако, при использовании различных типов телекамер возникают дополнительные специфические погрешности. Так при использова-

нии серийных телевизионных передающих камер с построчной разверткой имеют место существенные погрешности считывания показаний от неточной установки контролируемого прибора относительно телекамеры и погрешности фиксации координат точек, принадлежащих указателю и отметкам шкалы. Телекамеры с круговой разверткой свободны от указанных недостатков, но имеют значительные погрешности, связанные с определением центра кривизны шкалы и заданием радиуса. Наилучшим образом подходя т для решения поставленной задачи телекамеры со следящей разверткой, однако они требуют сложных алгоритмов обработки измерительной информации.

Наиболее общими недостатками телевизионного способа считывания показаний стрелочного прибора являются следующие:

• необходимость точной ориентации контролируемого прибора относительно считывающего блока;

• сложность перенастройки на новый тип прибора;

• недостаточная универсальность по отношению к шкалам;

• низкая точность и помехозащищенность;

« высокая стоимость и низкая надежность используемого оборудования;

• необходимость снятия контролируемого прибора с объекта и установки его на испытательный стенд.

Следует также отметить, что все оборудование, используемое для реализации фотоэлектрического и телевизионного способов считывания показаний стрелочных приборов, имеет очень большой вес и габариты, и у оператора не будет возможности следить за показаниями контролируемого прибора. Применять эти способы в производственных условиях невозможно, поэтому использоваться они могут только в метрологических лабораториях, например, для автоматизации поверки стрелочных электроизмерительных приборов.

Параметрический способ считывания показаний стрелочных электроизмерительных приборов основан на регистрации изменения какой-либо физической величины при изменении положения указателя относительно отметок шкалы. Этот способ является наименее затратным и может использоваться в

приборах, входящих в состав контрольно-измерительных систем на промышленных объектах.

Уже в 70-е годы были разработаны и серийно выпускались электроизмерительные приборы, сигнализирующие о вхождении стрелки в определенный сектор шкалы [97]. Это приборы со световым указателем и поворачивающимися соосно ему цветными фильтрами (миллиамперметры, амперметры, вольтметры типов М1830С, М1531С, М1530С). В таких приборах при заходе луча указателя в область, закрытую фильтром, его цвет изменится, информируя оператора о переходе измеряемой величины через установленную ранее границу. Этот способ не позволяет получать электрический сигнал о показаниях прибора, а лишь упрощает контроль за измеряемой величиной для оператора, тем более что область применения приборов со световым указателем достаточно ограничена.

У другого типа приборов конструкция дополнена контактами, один из которых подвижен и перемещается вместе со стрелкой (или сама стрелка), а другие устанавливаются оператором с помощью ручек на лицевой панели прибора, сооспых стрелке (микроамперметры, милливольтметры типа МЗОЗК, микро- и миллиамперметры типа М281К). При повороте указателя на определенный положением контактов угол замыкается дополнительная электрическая цепь и полученный таким образом сигнал можно использовать для целей сигнализации и управления. Однако, надежность контактных, элементов цепи очень низка, а получаемая с контактных датчиков информация позволяет определить моменты прохождения указателем лишь некоторых (обычно не более двух) положений. Для применяемых на производстве систем контроля и управления, в состав которых входят стрелочные приборы, таких функциональных возможностей измерительной аппаратуры недостаточно.

На кафедре ИВ К УлГТУ разработаны и описаны несколько методов параметрического считывания показаний приборов различных конструкций и систем.

В работах [102, 75] рассмотрен метод определения угла поворота стрелочного указателя прибора электромагнитной системы по значению индуктивности катушки измерительного механизма. При этом используется зависимость измеряемого параметра (индуктивности катушки) от степени внесения в нее ферромагнитного сердечника, которая в свою очередь жестко определяет отклонение стрелки от нулевого положения.

Для приборов магнитоэлектрической системы разработан метод определения угла отклонения стрелочного указателя по ЭДС, индуцируемой в катушке измерительного механизма при отключении входного сигнала и движении стрелки от установившегося положения к исходному (пулевому) [751. Процедура измерения при этом состоит из двух этапов. На первом прибор измеряет входную величину, стрелка отклоняется на некоторый угол. Второй этап начинается после успокоения подвижной части измерительного механизма. Входной сигнал отключается от клемм прибора, подвижная часть возвращается в исходное состояние, развивая угловую скорость, пропорциональную первоначальному отклонению. При этом в катушке измерительного механизма индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости поворота подвижной части, а, следовательно, и первоначальному отклонению стрелки. Таким образом, измерив максимум ЭДС на втором этапе процедуры, можно вычислить угол отклонения стрелки и соответствующее значение входной величины.

Еще одной разработкой кафедры ИВК является метод автоматизированной поверки щитовых электроизмерительных приборов с использованием встроенного в прибор емкостного датчика положения стрелки [11, 66, 75, 67]. В предложенной конструкции емкостной датчик состоит из двух электродов -подвижного и неподвижного. Подвижным электродом является сама стрелка, электрически соединенная с минусовой клеммой прибора. Неподвижный электрод представляет собой слои из токопроводящего материала, нанесенные на поверхность шкалы и электрически соединенные с дополнительной клеммой в корпусе прибора. Слои представляют собой узкие полоски, соосные оцифрованным отметкам шкалы. Емкость между электродами датчика изменяется при

движении стрелки и, очевидно, будет максимальной при соосности стрелки с оцифрованной отметкой шкалы. Таким образом, измеряя или преобразуя емкость датчика, можно получить электрический сигнал, зависящий от положения стрелки прибора и имеющий экстремумы в моменты совпадения стрелки с оцифрованной отметкой шкалы.

Достоинствами данного способа определения положения стрелки являются :

• минимальные изменения конструкции прибора;

• независимость конструкции датчика от конструкции п тина прибора;

• гарантированная гальваническая развязка измерительной цепи и цепи емкостного датчика;

• небольшой вес и габариты. Среди недостатков отметим:

• очень малые значения емкостей;

• низкая чувствительность;

• низкая помехозащищенность.

Описанная выше конструкция емкостного датчика разработана для целей автоматизации поверки стрелочных приборов и не позволяет однозначно определить положение стрелки относительно отметок шкалы по значению выход�