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. -352с. ), 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 выходной 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 являются 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 емкостный 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 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, емкостный датчик, образованный стрелочным указателем и нанесенными на шкалу неподвижными электродами из токопроводящего материала.

Возможность определения положения стрелки относительно отметок шкалы обеспечивается наличием в приборе емкостного датчика, сформированного подвижным электродом - стрелкой и системой неподвижных электродов, наносимой на шкалу и электрически изолированной как от шкалы, так и от остальных элементов конструкции прибора. Система неподвижных электродов представляет собой дугообразный с центром на оси вращения стрелки слой, разделенный на две части пазом, причем каждый из двух полученных таким образом электродов соединен с отдельной дополнительной клеммой. Форма паза между электродами определяет характер зависимости выходных емкостей датчика от угла поворота стрелки прибора.

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

В частном случае выполнения на шкалу электроизмерительного прибора может быть нанесен дополнительный изолированный дугообразный с центром на оси вращения стрелки слой, отделенный от основного пазом и электрически соединенный с отдельной дополнительной клеммой. Емкость между этим слоем и стрелкой будет изменяться не от угла поворота стрелки, а от расстояния между стрелкой и шкалой. Информация об этом расстоянии позволит исключить из показаний датчика погрешность, связанную с неравномерностью зазора между стрелкой и шкалой, повысив тем самым точность определения местоположения стрелки относительно отметок шкалы.

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, емкостный датчик, образованный стрелочным указателем и нанесенными на шкалу неподвижными электродами из токопроводящего материала. Система неподвижных электродов электрически изолирована как от шкалы, так и от остальных элементов конструкции прибора и представляет собой дугообразный с центром на оси вращения стрелки слой, разделенный на две части пазом, причем каждый из двух полученных таким образом электродов (2 и 3) соединен с отдельной дополнительной клеммой.

В предпочтительном варианте исполнения электроизмерительный прибор содержит дополнительный дугообразный с центром на оси вращения стрелки слой из токопроводящего материала 4, нанесенный на шкалу и отделенный от основного слоя пазом. Слой 4 электрически изолирован как от шкалы, так и от других элементов конструкции прибора и электрически соединен с отдельной 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 2 и 3. Причем форма паза выполняется такой, что при движении стрелки площадь перекрытия стрелки и одного из электродов (например, 2) увеличивается, как и соответствующая выходная емкость датчика, а другого электрода (3) уменьшается вместе с соответствующей емкостью. Причем форма паза между электродами определяет чувствительность датчика в каждой точке выходной характеристики. Наиболее универсальной является форма паза, при которой зависимость выходных емкостей от угла поворота стрелки прибора прямо пропорциональная. Емкость между стрелкой и дополнительным электродом 4 не зависит от угла поворота стрелки, но изменяется в зависимости от зазора между стрелкой и шкалой.

Электроизмерительный прибор с встроенным емкостным датчиком положения стрелки прошел апробацию на кафедре ИВК УлГТУ в лабораторных условиях. В качестве базового был использован амперметр М42100 магнитоэлектрической системы, шкала которого была изготовлена из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 мм. Дугообразный слой имел граничные радиусы (внутренний-внешний) 9-40 мм и был разделен пазом шириной 1 мм на два электрода так, чтобы выходные характеристики датчика были прямо пропорциональными. Стрелка шириной 2 мм, длиной 40 мм, закрепленная на подвижной части прибора на расстоянии 1,5 мм от поверхности шкалы, была электрически соединена со 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 датчика (дополнительными клеммами). Графики полученных зависимостей выходных емкостей датчика C положения указателя прибора от угла поворота стрелки α представлены на фиг. 2.

Апробация подтвердила возможность 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 электроизмерительной технике 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. Емкостный датчик образован стрелочным указателем и нанесенными на шкалу неподвижными электродами из токопроводящего материала. Система неподвижных электродов электрически изолирована как от шкалы, так и от остальных элементов конструкции прибора и представляет собой дугообразный с центром на оси вращения стрелки слой, разделенный на две части пазом, причем каждый из двух полученных таким образом электродов соединен с отдельной дополнительной клеммой. Прибор может содержать дополнительный дугообразный с центром на оси вращения стрелки слой из токопроводящего материала, нанесенный на шкалу и отделенный от основного слоя пазом. Этот слой электрически изолирован как от шкалы, так и от других элементов конструкции прибора и электрически соединен с отдельной клеммой. Возможность определения положения стрелки относительно отметок шкалы обеспечивается тем, что форма паза между электродами такова, что площади перекрытия электродов и стрелки при ее движении в одну сторону изменяются монотонно и дифференциально относительно друг друга, выходные емкости датчика будут изменяться также дифференциально и монотонно, а это позволяет привести в однозначное соответствие угловое положение стрелки и значения выходных емкостей. Следовательно, зная зависимость выхода датчика от угла поворота стрелки, можно в любой момент времени определить местоположение стрелки на шкале. Дополнительный дугообразный слой используется для учета изменения зазора между стрелкой и шкалой, что, наряду с использованием мостовых схем преобразования емкости, превышает точность и чувствительность датчика. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. 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, емкостный 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, отличающийся тем, что система неподвижных электродов представляет собой дугообразный с центром на оси вращения стрелки слой, разделенный на две части пазом, причем каждый из двух полученных таким образом электродов соединен с отдельной дополнительной клеммой. 2. Прибор по п. 1, отличающийся тем, что в его состав входит дополнительный дугообразный с центром на оси вращения стрелки слой из токопроводящего материала, нанесенный на шкалу и отделенный от основного слоя пазом, электрически изолированный как от шкалы, так и от других элементов конструкции прибора и электрически соединенный с отдельной клеммой.