ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР Российский патент 1998 года по МПК G01D5/00 G01R5/00 

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

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

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

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

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

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

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

Стрелочные электроизмерительные приборы используются для измерений широкого диапазона значений токов и напряжений и представляют информацию в виде, удобном для считывания человеком. Но для использования в системах с автоматическим съемом показаний при помощи электронных и микропроцессорных устройств такие приборы не приспособлены. Функционирование различных систем на промышленных и хозяйственных объектах контролируется с помощью групп измерительных приборов со стрелочными указателями, объединяемых в информационные щиты. Количество приборов на щитах может достигать нескольких десятков. Информация, 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 измеряемых приборами параметров, требуется обеспечить два типа представления разнородной измерительной информации. Во-первых, в виде перемещения стрелки прибора относительно оцифрованных отметок шкалы, удобном для визуального считывания человеком-оператором. Во-вторых, в виде напряжения, изменяющегося 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 намного упростить структуру создаваемых управляющих и контрольно-измерительных систем, а также модифицировать уже функционирующие системы с минимальными аппаратными затратами. Технический результат - получение электроизмерительного прибора с многофункциональным емкостным датчиком положения стрелки, для чего необходимо обеспечить возможность определения местоположения стрелки относительно отметок шкалы в любой момент времени при произвольном входном сигнале, а также как можно более высокую чувствительность датчика.

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

Возможность определения положения стрелки относительно отметок шкалы обеспечивается наличием в приборе емкостного датчика, сформированного подвижным электродом - стрелкой и системой неподвижных электродов, наносимой на шкалу и электрически изолированной как от шкалы, так и от остальных элементов конструкции прибора. Система неподвижных электродов представляет собой один или несколько концентрических дугообразных с центром на оси вращения стрелки слоев, отделенных друг от друга пазами. Каждый слой разделен радиальными пазами, ориентированными относительно отметок шкалы, на несколько секторов, объединенных электрически в два электрода так, что соседние секторы слоя относятся к разным электродам. Причем для системы электродов в целом радиальные пазы между секторами в разных слоях не соосны, а соседние по ходу движения стрелки радиальные пазы между секторами относятся к разным дугообразным слоям. Каждый электрод каждого слоя соединен с отдельной дополнительной клеммой.

Благодаря наличию в приборе емкостного датчика положения стрелки, у которого неподвижные электроды на шкале имеют вид поочередно соединенных секторов дугообразных слоев (два электрода в каждом слое, разделенные между собой радиальными пазами), выходными параметрами прибора дополнительно становятся электрические емкости между стрелкой и неподвижными электродами. Причем выходные емкости электродов каждого дугообразного слоя в окрестности разделяющих электроды радиальных пазов изменяются дифференциально. Это позволяет использовать мостовые преобразователи для преобразования значений емкостей, снимаемых на каждом дугообразном слое, что намного увеличивает чувствительность датчика. Более того, с помощью мостовых схем можно по характеру выходного сигнала определить, над каким из двух электродов слоя в данный момент времени находится стрелка. Тогда граничные радиальные пазы этих электродов определяют сектор шкалы, над которым находится стрелка. Для обеспечения однозначности этого определения, необходимо, чтобы соседние по ходу движения стрелки радиальные пазы системы электродов не лежали в одном дугообразном слое, а также чтобы радиальные пазы в разных слоях не были соосны (во избежание неодновременных срабатываний - глитчей), то есть комбинации электродов, соответствующие соседним секторам шкалы, различались только на один электрод. Так как все радиальные пазы дугообразных слоев ориентированы относительно отметок шкалы, то использование такого датчика позволяет определить положение стрелки на шкале с точностью до сектора, ограниченного соседними радиальными пазами системы неподвижных электродов.

Изобретение поясняется фигурами:
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 выходных емкостей электроизмерительного прибора.

Электроизмерительный прибор содержит корпус, измерительный механизм, подключенный к рабочим клеммам прибора, состоящий из обоймы и установленной в ней подвижной части, стрелочный указатель, закрепленный на подвижной части прибора, электрически соединенный с минусовой клеммой прибора, шкалу 1, фиг. 1 с нанесенными на ней отметками, цифрами и обозначениями, закрепленную в обойме и изолированную от нее, емкостной датчик, образованный стрелочным указателем и нанесенными на шкалу неподвижными электродами из токопроводящего материала, электрически изолированными как от шкалы, так и от остальных элементов конструкции прибора. Система неподвижных электродов представляет собой один или несколько концентрических дугообразных с центром на оси вращения стрелки слоев 2, 3, отделенных друг от друга пазами. Каждый слой разделен радиальными пазами, ориентированными относительно отметок шкалы, на несколько секторов, объединенных электрически в два электрода так, что соседние секторы слоя относятся к разным электродам (4 и 5, 6 и 7). Причем для системы электродов в целом радиальные пазы между секторами в разных слоях не соосны, а соседние по ходу движения стрелки радиальные пазы между секторами относятся к разным дугообразным слоям. Каждый электрод каждого слоя соединен с отдельной дополнительной клеммой.

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 на шкале. Выходные емкости каждого слоя в окрестности разделяющего электроды радиального паза изменяются так, что при движении стрелки над поверхностью одного электрода, через паз и далее над поверхностью другого электрода, емкость между стрелкой и первым электродом будет уменьшаться, а между стрелкой и другим электродом - увеличиваться. Это позволяет использовать для дальнейшего преобразования сигнала высокочувствительные мостовые схемы, по выходу которых можно, кроме того, определить электрод, над которым находится в данный момент стрелка. А так как радиальные пазы слоев ориентированы относительно отметок шкалы, то возможно найти местоположение указателя на шкале с точностью до сектора между соседними радиальными пазами в разных дугообразных слоях.

Электроизмерительный прибор с встроенным емкостным датчиком положения стрелки прошел апробацию на кафедре ИВК УлГТУ в лабораторных условиях. В качестве базового был использован амперметр М42100 магнитоэлектрической системы, шкала которого была изготовлена из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 мм. Три дугообразных слоя системы неподвижных электродов имели следующие граничные радиусы (внутренний-внешний): 1. 9-20 мм; 2. 21-32 мм; Радиальные пазы в слоях шириной 0,8 мм были соосны положению стрелки при следующих углах поворота от нулевой отметки (град.): 1. 3, 74; 2. 39, 90; 3. 22, 56. Стрелка шириной 2 мм, длиной 40 мм, закрепленная на подвижной части прибора на расстоянии 1,5 мм от поверхности шкалы, была электрически соединена с штатной минусовой клеммой прибора. При снятии характеристик датчика использовались: источник калиброванных сигналов П320, цифровой измеритель L, C, R E7-8. Емкость измерялась между стрелкой прибора (минусовой клеммой) и каждым электродом каждого дугообразного слоя (дополнительными клеммами). Графики полученных зависимостей выходных емкостей датчика положения указателя прибора C от угла поворота стрелки а представлены на фиг. 2 (фиг. 2, а - слой 1, фиг. 2, б - слой 2, фиг. 2, в - слой 3). Пунктиром отмечено расположение радиальных пазов в дугообразных слоях.

Апробация подтвердила возможности повышения чувствительности емкостного датчика положения стрелки прибора за счет использования мостовых измерительных схем, а также определения положения стрелки относительно отметок шкалы при произвольном характере изменения входного сигнала электроизмерительного прибора.

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано в системах с автоматическим сбором информации о значениях измеряемых величин. Технический результат - получение электроизмерительного прибора с многофункциональным емкостным датчиком положения стрелки. Емкостной датчик образован стрелочным указателем и нанесенными на шкалу неподвижными электродами из токопроводящего материала, электрически изолированными как от шкалы, так и от остальных элементов конструкции прибора. Система неподвижных электродов представляет собой один или несколько концентрических дугообразных с центром на оси вращения стрелки слоев, отделенных друг от друга пазами. Каждый слой разделен радиальными пазами, ориентированными относительно отметок шкалы, на несколько секторов, объединенных электрически в два электрода так, что соседние секторы слоя относятся к равным электродам. Каждый электрод каждого слоя соединен с отдельной дополнительной клеммой. Возможность определения местоположения стрелки на шкале обеспечивается наличием в приборе емкостного датчика, по выходным параметрам которого можно определить, над какими электродами слоев находится стрелка. Так как разделяющие электроды радиальные пазы ориентированы относительно отметок шкалы, то возможно определение положения стрелки на шкале, причем благодаря дифференциальной структуре изменения выходных емкостей каждого слоя для их преобразования можно использовать высокочувствительные мостовые схемы. 2 ил.

Электроизмерительный прибор, содержащий корпус, измерительный механизм, подключенный к рабочим клеммам прибора, состоящий из обоймы и установленной в ней подвижной части, стрелочный указатель, закрепленный на подвижной части прибора, электрически соединенный с минусовой клеммой прибора, шкалу с нанесенными на ней отметками, цифрами и обозначениями, закрепленную в обойме и изолированную от нее, емкостной датчик, образованный стрелочным указателем и нанесенными на шкалу неподвижными электродами из токопроводящего материала, наносимыми на шкалу и электрически изолированными как от шкалы, так и от остальных элементов конструкции прибора, отличающийся тем, что система неподвижных электродов представляет собой один или несколько концентрических дугообразных с центром на оси вращения стрелки слоев, отделенных друг от друга пазами, слои разделены радиальными пазами, ориентированными относительно отметок шкалы, на несколько секторов, объединенных электрически в два электрода так, что соседние секторы слоя относятся к разным электродам, причем для системы электродов в целом радиальные пазы между секторами в разных слоях не соосны, а соседние по ходу движения стрелки радиальные пазы между секторами относятся к разным дугообразным слоям, каждый электрод каждого слоя соединен с отдельной дополнительной клеммой.