Разработка и исследование электроизмерительных приборов со встроенным емкостным датчиком положения стрелки

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 возможностыо 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 обсуждается 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 использовании 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 помехозащищенностьвысокая 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, микрои 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 электродовподвижного 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 выходной емкости. Однако, зависимость емкости датчика от угла поворота стрелки можно задавать формой неподвижного электрода на шкале прибора и таким образом приспосабливать датчик к решению различных практических задач.

Обзор задач, возникающих на производстве при эксплуатации контрольно-измерительных систем со стрелочными электроизмерительными приборами, позволяют утверждать, что проблема расширения функциональных возможностей стрелочных приборов является актуальной. Анализ теоретических и внедренных способов решения задачи автоматизации считывания показаний стрелочных приборов, расположенных непосредственно на объекте, для дальнейшего использования полученной информации в системах контроля и управления показал, что наиболее приемлемыми являются параметрические методы. Реализация считывания показаний прибора с помощью встроенного емкостного датчика является наиболее универсальной и не требует больших затрат, что немаловажно при текущем состоянии экономики. Поэтому в данной диссертации разрабатываются и исследуются стрелочные электроизмерительные приборы, в конструкцию которых включен именно такой датчик.

Целью работы является разработка и исследование стрелочных электроизмерительных приборов, содержащих встроенные емкостные датчики поло-" жепия 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 па 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 структурных схем сопряжения предложенных приборов с различными внешними устройствами и алгоритмов сбора и обработки измерительной информации, в том числе в приборных щитах.

Основные положения, выносимые не защиту:

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

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

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

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

Результаты работы использованы в хоздоговорных НИР, проводимых кафедрой «Измерительно-вычислительные комплексы» Ульяновского государственного технического университета совместно с АО «Электроприбор» г. Чебоксары (per. №№ УлГТУ 12−39/95, 12−33/96), в госбюджетных НИР по программам «Конверсия и высокие технологии 1994;1996г.г.» (№ гос. регистрации 1 970 002 148, инв.№ 2 970 001 126), «Конверсия и высокие технологии 1997;2000г.г.», раздел «Информатика и связь», а также при изготовлении опыт-пых образцов приборов и приборных щитов на ДО «Электроприбор» г. Чебоксары.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались па научно-технической конференции с международным участием «Проблемы промышленных электромеханических систем и перспективы их развития» (г.Ульяповск, 1996 г.), на научной конференции «Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем» (г.Пенза, 1996 г.), на Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике» (г.Чебоксары, 1996 г.), на межвузовском семинаре «Автоматизация ТП и производств. Точность, качество и надежность конструкций и технических систем» (г.Самара,.

1997 г.), на ежегодных научно-технических конференциях Ульяновского государственного технического университета.

Приоритет основных технических решений, разработанных в данной работе, защищен 4 решениями о выдаче патента РФ. Результаты исследований использованы на АО «Электроприбор», г. Чебоксары для изготовления опытных образцов измерительных приборов с расширенными функциональными возможностями.

1. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЕМКОСТНОГО ДАТЧИКА.

ПОЛОЖЕНИЯ СТРОКИ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Таким образом, в данной диссертационной работе решены поставленные задачи автоматизации считывания показаний стрелочных измерительных приборов и передачи измерительной информации в микропроцессорные устройства хранения, обработки и представления данных. Основные результаты данной диссертационной работы можно сформулировать следующим образом:

1. Выделены три основные задачи, требующие от стрелочных приборов наличия дополнительных функциональных возможностей — выдачи электрического сигнала о положении стрелки относительно отметок шкалы, которыми являются автоматизация поверки приборов, контроль за нахождением измеряемой величины в заданных пределах, непрерывный сбор и обработка измерительной информации. Для решения поставленных задач разработаны и экспериментально опробованы конструкции встроенных емкостных датчиков положения стрелки прибора. Датчик состоит из подвижного электрода, которым является стрелка прибора, и неподвижных, выполненных в виде слоя токопроводящего материала, нанесенною на шкалу. Форма неподвижных электродов определяет вид выходной характеристики датчика и область его применения.

2. Выведены математические выражения функций преобразования разработанных конструкций емкостных датчиков, связывающие выходной сигнал датчика с его основными конструктивными параметрами. Так как система электродов датчика имеет сложную пространственную конфигурацию, использование точных численных и математических методов расчета выходной характеристики датчика невозможно или нецелесообразно, поэтому для получения математических моделей разработанных конструкций датчика использовалась модель плоского конденсатора. Эксперимен тальная проверка адекватности полученных моделей па макетах приборов с встроенными датчиками показала, что погрешность расчетных функций преобразования в границах их применимости не превышает 5−10%.

3. Исследованы основные параметры, влияющие на чувствительность емкостного датчика положения стрелки. Установлено, что дня ее повышения неподвижные электроды должны занимать всю площадь шкалы, покрываемую стрелкой при ее повороте. Разработаны требования к соотношениям геометрических размеров электродов датчиков различной конструкции, позволяющие получить их функции преобразования, удобные для дальнейшей обработки и использования емкостного выходного сигнала датчика.

4. Исследованы основные источники погрешностей емкостного датчика. Установлено, что воздействия на него температуры, вибраций, а также неточности изготовления формы неподвижных электродов и нанесения рисунка на шкалу пренебрежимо малы для щитовых приборов класса точности 1.0 и Ниже. Сильные искажения в выходную характеристику некоторых конструкций датчика вносят1 изменения зазора между стрелкой прибора и шкалой. Установлено, что основными источниками внешних помех, искажающих выходной сигнал датчика, являются элементы конструкции прибора, электрически соединенные со стрелкой, а также электрические ноля и физические тела, подносимые к его лицевой панели.

5. Разработаны формы неподвижных электродов емкостного датчика для определения моментов прохождения стрелкой прибора определенных положений относительно отметок шкалы. Сигналом датчика о прохождении стрелкой контролируемого положения может быть (в зависимости от конструкции датчика) максимум выходной емкости, точка равенства выходных дифференциальных емкостей, монотонно изменяющихся в окрестности контролируемого положения, дискретное изменение (с минимального значения на максимальное или наоборот) одного из емкостных выходов датчика.

6. Разработаны формы неподвижных электродов емкостного датчика для решения задачи непрерывного контроля положения стрелки. Для более точного определения положения стрелки датчиками с монотонным изменением выходных емкостей предложена конструкция дополнительного емкостного датчика расстояния между стрелкой и шкалой, выходной сигнал которого можно использовать для введения поправки в показания основного датчика.

7. Для повышения помехозащищенности емкостного датчика, а именно с целью исключения влияния на него элементов конструкции прибора, предложено обратную сторону шкалы покрывать слоем токопроводящего материала, электрически соединенного со стрелкой, выполняющим функции экрана. Предложено также площади неподвижных электродов датчиков с дифференциальной структурой емкостей делать равными между собой для минимизации погрешностей, вносимых в выходной сигнал внешними источниками помех. Выполнение этого условия позволяет подносить физические тела к лицевой панели прибора на расстояние до 10 см без внесения значительных искажений в выходной сигнал.

8. Предложено для преобразования выходного сигнала датчиков с недифференциальной структурой неподвижных электродов в электрический сигнал использовать ЬС — и КС — генераторы, во времязадающую цепь которых включена выходная емкость датчика. В качестве измерительной схемы таких датчиков можно также использовать измерительные мосты переменного тока, у которых датчик включен в одно из плеч. В качестве измерительных схем датчиков с дифференциальной структурой следуетиспользовать мосты переменного тока, у которых в качестве двух плеч включены выходные емкости датчика, а также измерительную схему с кольцевым диодным выпрямителем.

9. Разработана структура и алгоритм функционирования системы автоматизированной поверки стрелочных приборов, а также структурные схемы и алгоритмы сопряжения емкостных датчиков с ЭВМ и микропроцессорными контроллерами при известном и произвольном изменении входного сигнала прибора в случаях дискретного и непрерывного контроля положения стрелки. Произведено математическое описание структуры приборного щита с автоматизированным считыванием показаний приборов, а также разработаны алгоритмы и программа ее формирования и оптимизации.

10. Разработан и изготовлен макет автоматизированного приборного щита, состоящий из трех приборов с емкостными датчиками положения стрелки, измерительная информация с которых после преобразования передается в ПЭВМ по последовательному порту ввода-вывода (интерфейс Р8~232). Для ПЭВМ разработана программа приема и обработки измерительной информации. По результатам исследования макета предложены рекомендации проектировщикам автоматизированных приборных щитов по созданию структур систем автоматизированного сбора, обработки, хранения и представления пользователю измерительной информации.

11.11а электроизмерительные приборы с различными емкостными датчиками получены 4 положительных решения о выдаче патента РФ. Полученные в данной работе результаты использовались на АО «Электроприбор», г. Чебоксары для проектирования и изготовления опытных образцов приборов с емкостными датчиками положения стрелки.