Устройство для автоматической поверки стрелочных приборов Советский патент 1993 года по МПК G01B21/00 G01L27/00 

00

о о ю о го

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано для автоматической поверки стрелочных измерительных приборов, например, манометров.

Цель изобретения - повышение точности и надежности измерений.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства для автоматической поверки стрелочных приборов; на фиг.2 конструктивная схема оптико-электронного преобразователя; на фиг.З, 4 - графики выходных сигналов отдельных элементов устройства (индексы соответствуют номерам элементов); на фиг.5 - схема образования инструментальной погрешности устройства; на фиг.6 - графические построения, используемые при выводе формулы для инструментальной погрешности устройства.

Устройство для автоматической поверки стрелочных приборов (фиг.1) содержит образцовый задатчик 1 сигналов, оптико- электронный преобразователь 2, импульсный датчик 3 перемещений, блок 4 перемещения, кинематически связанный с оптико-электронным преобразователем 2 и импульсным датчиком 3 перемещений, программный блок 5, соединенный двумя выходами со входами образцового задатчика 1 сигналов и блока 4 перемещения, и блок регистрации, выполненный в виде фильтра 6 низких частот, подключенного входом к выходу оптико-электронного преобразователя 2, амплитудного детектора 7, порогового блока 8; компаратора 8 и измерителя 10 погрешности, причем первый вход компаратора 9 соединен с первым входом амплитудного детектора 7, входом порогового блока 8 и выходом фильтра 6 низких частот, а второй вход компаратора 9 связан с выходом амплитудного детектора 7, подключенного вторым входом к выходу порогового блока 8, а три входа измерителя 10 погрешности соединены с выходами компаратора 9, импульсного датчика 3 перемещений и с треть- им выходом программного блока 5. Позицией 11 обозначен поверяемый стрелочный измерительный прибор.

Оптико-электронный преобразователь 2 выполнен (фиг.2) в виде подвижного блока 12 с установленными излучающим диодом 13, фотоприемником 14 и диафрагмой 15, представляющий цилиндрический канал, диаметр и длина которого выбираются из условий достаточного ограничения поля зрения фотоприемника 14, с одной стороны, и необходимой погрешности полезного сигнала на выходе фотоприемника, в другой. Подвижный блок 12 при поверке располагается соосно с указателем (стрелочным) поверяемого прибора 11, съем информации со шкалы прибора производится по дуге окружности, проходящей через поверяемые

отметки шкалы и указатель. Для обеспечения независимости характеристик оптико- электронного преобразователя от направления движения подвижного блока 12, продольная ось канала диафрагмы 15

направлена по перпендикуляру к шкале поверяемого прибора 11, а излучающий диод 13 расположен радиально фотоприемнику 14. В качестве излучающего диода можно использовать диод инфракрасного излуче5 ния АЛ-107Б, в качестве фотоприемника - фотодиод ФД-256. В опытном образце установки, ориентированном на поверку манометров МТП-1, диаметр канала диафрагмы равен 1 мм, длина канала - 10 мм.

0 при поверке манометров в качестве образцового задатчика сигналов 1 может быть использован, например, пневматический задатчик давления ЗДПА-400.

Импульсный датчик перемещений 3

5 предназначен для преобразования угловых перемещений оптико-электронного преобразователя 2 в последовательность импульсов и может состоять из модулирующего диска, связанного через механическую пе0 редачу с блоком перемещения 4, а также излучателя, фотоприемника, усилителя и формирователя импульсов, например, триггера Шмитта.

Блок 4 перемещения может состоять из

5 электродвигателя постоянного тока, редуктора, двух концевых выключателей и системы управления, обеспечивающейо командам программного блока 5 перемещение оптико-электронного преобразователя

0 2 вдоль шкалы поверяемого прибора сначала в прямом, а затем в обратном направлении.

Назначение и принципы построения программного блока 5 общеизвестны.

5 Фильтр 6 низких частот может быть выполнен в виде дифференциального усилителя, подключенного к выходу оптико-электронного преобразователя 2 первым входом непосредственно, а вторым входом - через сглаживаю0 щий фильтр.

Амплитудный (или пиковый) детектор 7 предназначен для запоминания максимального значения импульсов, поступающих на его первый вход с выхода фильтра низких

5 частот 6. Принцип работы и схемы амплитудных (пиковых) детекторов известны.

Пороговый блок 8 обеспечивает включение амплитудного детектора 7 в работу при превышении сигналом на его входе порога срабатывания. В остальное время амплитудной детектор 7 включен и сигнал на его выходе равен нулю. Величина порога срабатывания блока 8 определяется условием ам- плитудной селекции импульсов от поверяемых отметок шкалы и указателя прибора 11 от импульсов, обусловленных другими отметками шкалы и частями цифр, попадающими в поле зрения фотоприемника 14.

Компаратор 5 обеспечивает переключе- ние сигнала на выходе с уровня логического О на уровень логической 1 при незначительном превышении сигналом, поступающим на его второй вход с выхода амплитудного детектора 7, величины сигнала, поступаю- щего на его первый вход с выхода фильтра низких частот 6.

Пороговый блок 8 и компаратор 9 могут быть реализованы, например, на операционных усилителях.

Измеритель погрешности 10 предназначен для определения величины модуля абсолютной погрешности измерения и индикации соответствия поверяемого прибора 11 классу точности. Он состоит из счетчика импульсов и схемы управления им (на фиг.1 не показаны), обеспечивающих подсчет количества импульсов, вырабатываемых импульсным датчиком перемещений 3 на угловом интервале между указателем прибора 11 и поверяемой ответной шкалы. Схема управления счетчиком может состоять из второго счетчика импульсов, предназначенного для подсчета количества импульсов с выхода компаратора 9, и логической схемы. Алгоритм функционирования измерителя погрешности 10 приведен ниже.

Устройство работает следующим образом.

При отработке цикла поверки на каждой из поверяемых отметок шкалы прибора 11 программный блок 5 сначала выдает команды образцовому задатчику 1 на установку соответствующего сигнала на выходе и из- мерителю погрешности 10 на подготовку его схемы к измерению (сброс счетчиков в нуль, установка триггеров в исходное положение). После необходимой выдержки времени, программный блок 5 выдает команду блоку перемещения 4, который приводит в движение импульсный датчик перемещений 3 и оптико-электронный преобразователь 2. Последний, осуществляя сканирование шкалы прибора 11 сначала в прямом, затем обратном направлении, вырабатывает сигнал, типичный вид которого показан на фиг.За.

Сигнал на выходе оптико-электронного преобразователя 2 наряду с полезной информацией (импульсы от указателя прибора и поверяемых отметок шкалы), содержит импульсы от других отметок шкалы и частей цифр, попадающих в поле зрения оптико- электронного преобразователя, а также слу- чайную помеху, обусловленную флуктуациями потока лучистой энергии, отраженного от шкалы поверяемого прибора 11 и попавшего на фотоприемник 14, под действием таких факторов, как разброс коэффициентов отражения шкал различных приборов, неточность установки поверяемого прибора относительно оптико-электронного преобразователя 2, дрейф характеристик излучателя и фотоприемника и т.п. Использование триггера Шмитта с фиксированным порогом срабатывания для определения положения указателя и поверяемых отметок шкалы непосредственно по выходному сигналу оптико-электронного преобразователя 2 не обеспечит достаточной надежности измерений (не говоря об их точности) поскольку помехи будут вызывать ложные срабатывания триггера Шмитта или пропуск импульсов.

Кроме того, при небольших отклонениях указателя от поверяемой отметки шкалы их импульсы сливаются, а разделение слившихся импульсов является достаточно сложной задачей.

Задачи обеспечения независимости результатов измерения от действия помех и надежного разделения слившихся импульсов в заявляемом устройстве решены следующим образом.

Сигнал с выхода оптико-электронного преобразователя 2 сначала подается на вход фильтра низких частот 6, где происходит ослабление помехи (фиг.Зб). Далее сигнал поступает на схему, включающую амплитудный детектор 7, пороговый блок 8 и компаратор 9, которая выполняет амплитудную селекцию информационных импульсов от помех и обеспечивает формирование фронтов импульсов на выходе компаратора 9 по максимумам импульсов на входе амплитудного детектора 7 (фиг.Зв). Поскольку положение максимумом импульсов практически не зависит от их амплитуды, действие помехи на результат измерения полностью снимается. Этим также обеспечивается надежное разделение слившихся импульсов даже при весьма малой величине провала между ними. Работу схемы поясняют графики на фиг.4а,б.

При движении оптико-электронного преобразователя 2 по чистому полю шкалы поверяемого прибора сигнал Ue на выходе фильтра низких частот 6 меньше порога срабатывания Un порогового блока 8, амплитудный детектор 7 выключен, сигнал U на его выходе равен нулю, выходной сигнал Ug компаратора 9 имеет низкий уровень.

При попадании в поле зрения оптико- электронного преобразователя 2 значащей отметки шкалы или указателя прибора на выходе фильтра низких частот 6 вырабатывается импульс, амплитуда которого превышает порог срабатывания Un порогового блока 8. В момент ti пороговый блок включает амплитудный детектор 7 в работу, сигнал U на выходе амплитудного детектора скачком достигает значения сигнала Ue на его первом входе, и далее до момента t2 равенство U Ue сохраняется. С момента t2 сигнал U остается на уровне максимального значения сигнала Ue, что приводит к переключению компаратора 9 на высокий уровень выходного сигнала. С момента ta сигнал Ue вновь меньше порога Un срабатывания порогового блока 8, амплитудный детектор 7 выключен, выходной сигнал Ug компаратора 9 вновь имеет низкий уровень.

При разделении слившихся импульсов, когда провал не достигает порога Un срабатывания порогового блока 8, работа схемы основана на том, что амплитуда импульса от указателя поверяемого прибора существенно превышает амплитуду импульса от поверяемой отметки шкалы, поскольку указатель расположен ближе к оптико-электронному преобразователю 2. При этом разделение импульсов происходит лишь при движении оптико-электронного преобразователя 2 со стороны поверяемой отметки шкалы, как это показано на фиг. 4а,б. В момент t4 и te пороговый блок Ь, соответственно, включает и отключает амплитудный детектор 7. В моменты tg и и при достижении сигналом Ue максимумов происходит переключение компаратора 9 с низкого уровня сигнала Ug на высокий. При движении оптико-электронного преобразователя 2 со стороны указателя разделения импульсов не произойдет, поскольку на выходе компаратора 9 будет сформирован лишь один импульс - по максимуму импульса от указателя прибора 11. Поэтому съем информации со шкалы прибора 11 производится при прямом и обратном перемещении оптико-электронного преобразователя 2. В случае совмещения указателя и поверяемой отметки шкалы, на выходе компаратора 9 будет сформирован один импульс как при прямом, так и обратном перемещенииоптико-электронногопреобразователя 2.

Измеритель погрешности 10, на основании последовательности импульсов от поверяемых отметок шкалы и указателя прибора 11, подаваемой на его первый вход с выхода

компаратора 9 (фиг.Зв), и импульсов, подаваемых на его второй вход с выхода импульсного датчика перемещений 3, выполняет вычисление модуля абсолютной погрешности измерения и производит оценку соответствия прибора 11 классу точности.

Измеритель погрешности 10 может состоять из счетчика импульсов, поступающих с выхода импульсного датчика перемеще0 ний 3, и схемы управления счетом (на фиг.1 не показаны). Последняя включает второй счетчик импульсов для подсчета количества импульсов, поступающих с выхода компаратора 10, и логическую схему, которые реали5 зуют, например, следующий алгоритм обработки сигналов,

В исходном положении оба счетчика сброшены в нуль командой, поступившей по третьему входу измерителя погрешности 10

0 с третьего выхода программного блока 5, логическая схема приведена в состояние, обеспечивающее запрет счета для первого счетчика и разрешение счета для второго счетчика импульсов.

5 При поступлении на вход второго счетчика первого импульса, логическая схема выдает разрешение первому счетчику на счет импульсов, вырабатываемых импульсным датчиком перемещений 3.

0 При отсутствии на входе второго счетчика второго импульса до момента накопления первым счетчиком числа импульсов, соответствующего половине интервала между соседними поверяемыми отметками

5 шкалы, логическая схема выполняет перевод схемы измерителя погрешности в исходное положение.

При поступлении второго импульса на вход второго счетчика логическая схема вы0 дает запрет счета обеим счетчикам импульсов, при этом количество импульсов, накопленных первым счетчиком, соответствует угловому расстоянию между указателем и поверяемой отметкой шкалы.

5 Далее производится сравнение количества импульсов, накопленных первым счетчиком, с допустимым по классу точности пределом, и выдается информация о соответствии поверяемого прибора классу точ0 ности.

Если проведены лабораторные испытания образца устройства для автоматической поверки стрелочных приборов. Место испытаний - лаборатория кафедры автоматизации произ5 водственных процессов КХТИ им. С.М.Кирова. Время испытаний - октябрь 1990 г.

Образец устройства ориентирован на автоматизированную поверку технических манометров ИТП-1-4 классов точности 2,5; 4 и пределами измерения 1,6; 2,5; 4 kgf/см .

Технические характеристики образца.

Тип задатчика образцовых сигналов - задатчик давления пневматический ЗДПА- 400 разработки ЦПКБ Теплоприбор г. Казань.

Элементная база образца: диоды инфракрасного излучения АЛ-107Б, фотодиоды ФД-256, ФД-265, цифровые интегральные микросхемы серии К155, аналоговые интегральные микросхемы К140УД6.

Число импульсов, вырабатываемых импульсным датчиком перемещений на диапазоне шкалы манометра - 450.

Цель испытаний - проверка работоспособности устройства, исследование точности и надежности измерений при поверке технических манометров,

Для проверки работоспособности устройства была выполнена автоматизированная поверка двенадцати технических манометров. МДП-1 класса точности 2,5 со шкалой 0-2,5 kgf/см2. Из двенадцати манометров три не соответствовали классу точности по величине абсолютной погрешности измерения. Каждый манометр поверялся на пяти отметках шкалы при увеличении и уменьшении давления на его входе, несоответствие манометра классу точности сигнализировалось загоранием лампочки.

Исследования точности и надежности измерений проводились с использованием специального задатчика угловых положений указателя манометра, выполненного на базе манометра МТП-1 класса точности 2,5 с пределом измерения 2,5 kgf/см и обеспечивающего ручную установку заданной величины отклонения указателя от поверяемых отметок шкалы с погрешностью, не превышающей ±0,2% от диапазона шкалы манометра.

В процессе испытаний были заданы отклонения указателя от каждой из поверяемых отметок шкалы специального задатчика, равные ± 2% и ± 4% от предела измерения ,-что соответствует 9 и 18 импульсам в единицах измерения импульсного датчика перемещений. Результаты измерения отклонений оценивались по состоянию разрядов первого счетчика импульсов измерителя погрешности 10 устройства.

Было проведено также исследование стабильности работы образца установки путем многократного (по 10-15 раз) измерения отклонений при неизменном положении указателя.

Кроме того, на каждый из поверяемых отметок шкалы были определены минимальные величины отклонений указателя, надежно фиксируемое устройством.

Результаты проведенных испытаний.

1. В процессе испытаний устройство по- казало свою работоспособность и надежность. При автоматизированной поверке были выявлены все случаи не соответствия манометров классу точности.

2. Абсолютная погрешность устройства при измерениях отклонений ±2% и ±4% на всех поверяемых отметках шкалы специального задатчика не превышала ± 1 импульса в единицах измерения импульсного датчика перемещений (± 0,22 % от диапазо- на измерения).

3. Многократные (по 10-15 раз) измерения отклонений при неизменном положении указателя специального задатчика дали следующие результаты: в 83% измерений

имело место полное совпадение результатов во всех разрядах счетчика, в 17% измерений отклонение результата на одну единицу младшего разряда (на один импульс).

4. Минимальная величина отклонения указателя от поверяемых отметок шкалы, надежно фиксируемая устройством, составила 7 импульсов в единицах импульсного датчика перемещений ( ± 1.5% от предела

измерения).

На основании результатов лабораторных испытаний образца устройства можно сделать вывод, что предлагаемое устройство для автоматической поверки стрелочных

измерительных приборов работоспособно, надежно в работе и обладает точностью, достаточной для поверки технических манометров классов точности 2,5; 4.

Анализ инструментальной погрешности

устройства, обусловленной неточностью установки оптико-электронного преобразователя относительно оси вращения указателя поверяемого прибора, проведем расчетным путем. Схема образования погрешности показана на фиг.5, где 16 - указатель поверяемого прибора, 17 - реперная отметка шкалы (отметка начала отсчета), 0 - центр вращения указателя поверяемого прибора, О - центр вращения оптико-электронного

преобразователя. Точки А, В принадлежат траектории движения фотоприемника 15 (фиг.2) при его вращении вокруг центра О, точки А , В - при его вращении вокруг центра Q , Угол р - истинное значение углового отклонения указателя от реперной отметки, - оценка углового отклонения, содержащая погрешность за счет несовпадения центров 0 и 0. Угол а характеризует

направление смещения центра 0 относительно центра 0.

Время обозначения I OAI | OBI l OAI | OBI I OO I г Примем в качестве положительного направления отсчета углов от поверяемой отметки шкалы направление против часовой стрелки.

Для вывода формулы погрешности про- ведем построения, показанные на фиг.б, где ОК - линия, направленная вдоль продольной оси указателя, OL - линия, направленная на реперную отметку, ОМ и ON - перпендикуляры, опущенные из точки О , соответственно, на направления OL и ОК. Из треугольника A O N

P-lA 0 i-- ЈЈ

cosyz г sin (а - у)

cos уз Из треугольника

P.IB-O-I- |(Гга| г sin a

(D

(2)

COS 71cos у Выражения (1) и (2) преобразуем к виду:

г sin a у arccos -j;-

(3)

(4)

г sin (а - р) yz arccos

Из фиг.б видно, что абсолютная погрешность Д измерения может быть определена так:

(5)

У1

А arccos sin (а - р) - arccos Ј sin (6)

С учетом известных формул тригоно- метрии, выражение (6) преобразуем к виду

Aip arcsin(sirta) -arcsin -J sin ()

или

(7)

A arcsin sin«Vi-(lsin(«-p))2 sinCa-fpX (rsirm)(8)

Поскольку верхняя граница величины отношения rip не превышает 0,1, допустимо упрощение выражения (8) разложением 55 в ряд Тейлора функций arcsin x х

V1 -х Получим

5

10 5

0

5

о

5

(a-))2 -isin(or-vj)1-(sina)(9) Выражение (9) преобразуем к виду ()x.

1 г2 х 1 + -к -x sin a sin (а - р)

F (Ю)

С учетом малости величины r/р пренебрегаем вторым сомножителем в правой части выражения (10):

Ap - sirm-sin(a-p) (11)

Поскольку направление смещения центра О1 относительно центра 0 может быть любым, найдем для каждого значения угла р такое значение угла а, которое дает максимальную величину модуля погрешности. Для этого запишем необходимое и достаточное условие экстремума функции (а ) :

- Ј cosa-cos(a-p) 0(12)

Из условия (12) находим искомое а, : arccos cos( а, ) + «,+ 2Юг, (13) где К 0, 1, 2,..., или

« $04)

Подставив выражение (14) в (11) будет иметь:

(15)

Разделив обе части выражения (15) на угловой размер шкалы прибора Атах. получим выражение для максимальной приведенной относительной погрешности измерения

Amax pfОтах -

(16)

Проведем сравнительную оценку величины инструментальной погрешности прототипа и предлагаемого устройства, которая будет иметь место при проверке манометров МТП - 1-4 класса точности 2,5 для этих манометров р 18,5 мм, Атах 1,5 п. При расчетах будем исходить из требования, что точность образцового прибора должна в 5 раз превосходить точность поверяемого прибора, то есть класс точности устройства для поверки манометров должен быть не ниже 0,5.

Для прототипа нулевая отметка шкалы является единственной верной отметкой, от которой выполняются все отсчеты положений показателя манометра. Как ясно из выражения (16), в этом случае максимальная

погрешность будет иметь место при значении р 180°. Подставив значения у 180° и Атах 1,5 я в выражение (16), получим условие

5тах (jЈ )доп Sin 90° 0,005

Отсюда находим (Ј),0118,

Гдоп 0,0118 18,5 0,21 мм.

В предлагаемом устройстве отсчет угловых отклонений указателя производится непосредственно от поверяемых отметок шкалы. Для манометров класса точности 2,5 допустимое угловое отклонение показателя от поверяемых отметок шкалы равны:

.270-2,5/100 6,75°.

Подставив значения р 6,75°, Атах 1,5 я в выражение (16) получим

5тах ( Ј )доп Sin 3° 23 0,05

Отсюда находим ,2

гдоп 0,2-18,5 3,7 мм.

Заметим, что обеспечить требуемую для прототипа точность позиционирования, равную ± 0,21 мм, практически невозможно. В то же время точность позиционирова- ния ± 3,7 мм, требуемая для предлагаемого устройства, может быть легко достигнута, например, базированием устройства относительно корпуса манометра.

Таким образом, в заявляемом устройстве инструментальная погрешность, обусловленная ошибками позиционирования устройства относительно поверяемого прибора, снижена по сравнению с прототипом более, чем в 15 раз.

Итак, в предлагаемом устройстве Для поверки стрелочных приборов, благодаря введению прямого контроля положения поверяемых отметок шкалы в процессе измерений, использованию в качестве реперных отметок самих поверяемых отметок шкалы, благодаря обеспечению независимости результатов измерений от действия помех и замене осветителя с большим числом ламп малогабаритным излучающим диодом, повышены точность и надежность измерений при упрощении устройства.

Данное устройство для поверки стрелочных приборов предполагается внедрить

на Казанском ПО Теплоконтроль для поверки технических манометров МТП- 1-4 классов точности 2,5; 4 с пределами измерения 1,6; 2,5; 4 kgf /см . Ожидаемый экономический эффект от применения устройства

составит 63945 руб. в год (расчет экономической эффективности прилагается).

Формула изобретения

Устройство для автоматической поверки стрелочных приборов, содержащее образцовый задатчик сигналов, оптико-электронный преобразователь с фотоприемником, диафрагмой и излучателем,

оптически связываемыми через шкалу поверяемого прибора, импульсный датчик перемещений, блок перемещения, кинематически связанный с оптико-электронным преобразователем и импульсным

датчиком перемещений, и блок регистрации, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и надежности измерений, оно снабжено программным блоком, соединенным двумя выходами со входами,

соответственно, образцового задатчика сигналов и блока перемещения, оптико-электронный преобразователь выполнен с возможностью вращения и устанавливается соосно с указателем поверяемого прибора,

а блок регистрации выполнен в виде фильтра низких частот, подключенного входом к фотоприемнику, амплитудного детектора, порогового узла, компаратора и измерителя погрешности, причем первый вход компаратора соединен с первым входом амплитудного детектора, входом порогового узла и выходом фильтра низких частот, а второй вход компаратора связан с выходом амплитудного детектора, подключенного вторым

входом к выходу порогового узла, а три входа измерителя погрешности соединены, соответственно, с выходами компаратора, импульсного датчика перемещений и с третьим выходом программного блока.

Заказ 1156Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНI LLLK 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано для автоматической поверки стрелочных измерительных приборов, например манометров. Цель изобретения - повышение точности и надежности измерений. В устройстве, содержащее образцовый задатчик 1 сигналов, оптико-электронный преобразователь 2, импульсный датчик 3 перемещений, блок 4 перемещения и блок регистрации, дополнительно введен программный блок 5, соединенный двумя выходами со входами образцового задатчика 1 сигналов и блока 3 перемещения, при этом оптико-электронный преобразователь 2 выполнен в виде подвижного блока с установленными излучающими диодом, диафрагмой и фотоприемником, а блок регистрации выполнен в виде фильтра 6 низких частот, подключенного входом к фотоприемнику, амплитудного детектора 7, порогового блока 8, компаратора 9 и измерителя 10 погрешности, причем первый вход компаратора соединен с первым входом амплитудного детектора, входом порогового блока и выходом фильтра низких частот, а второй вход компаратора связан с выходом амплитудного детектора, подключенного вторым входом к выходу порогового блока, а три входа измерителя погрешности соединены с выходами компаратора, импульсного датчика перемещений и с треть- им выходом программного блока. 6 ил. со С