электроизмерительный прибор

Формула изобретения

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, 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, отличающийся тем, что неподвижные электроды представляют собой отдельные радиальные с центром на оси вращения стрелки слои, ориентированные относительно отметок шкалы, каждый из которых электрически соединен с отдельной дополнительной клеммой.

2. Прибор по п. 1, отличающийся тем, что обратная сторона шкалы покрыта дополнительным электродом из токопроводящего материала, электрически изолированным как от шкалы, так и от остальных элементов конструкции прибора и электрически соединенным с отдельной дополнительной клеммой.

Описание изобретения к патенту

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 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 при помощи механических регуляторов 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 (ДПС), содержащий, 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, 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 стрелочным указателем 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 элетроизмерительных 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.

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. Неподвижные электроды представляют собой отдельные радиальные с центром на оси вращения стрелки слои, ориентированные относительно отметок шкалы, каждый из которых электрически соединен с отдельной дополнительной клеммой.

Благодаря наличию в приборе емкостного датчика положения стрелки, у которого неподвижные электроды на шкале имеют вид электрически изолированных радиальных слоев, выходными параметрами прибора, кроме расположения указателя относительно отметок шкалы, являются электрические емкости между стрелкой и каждым слоем. Прохождение стрелки над слоем можно идентифицировать по достижению емкостью между ними максимального значения. Таким образом, анализируя значения выходных параметров емкостного датчика положения стрелки можно определить, в окрестности какого из слоев находится стрелочный указатель прибора, этот слой будет иметь со стрелкой максимальную емкость. А так как неподвижные электроды ориентированы относительно отметок шкалы, то по полученной с датчика информации можно определить положение стрелки на шкале в любой момент времени независимо от характера изменения входного сигнала прибора.

В частном случае выполнения прибор может содержать дополнительный электрод-подложку, расположенный на задней поверхности шкалы и электрически соединенный с отдельной дополнительной клеммой. Дополнительный электрод, который электрически изолирован от шкалы и от остальных элементов конструкции прибора, должен покрывать всю площадь на шкале, охватываемую стрелкой в рабочем диапазоне ее перемещения. Выходные емкости датчика положения стрелки имеют очень малые значения (единицы пикофарад) и пределы изменения из-за небольших площадей перекрытия электродов и относительно большого расстояния между ними. Поэтому предпочтительнее использовать для дальнейшего преобразования емкости в напряжение высокочувствительные схемы, например, мостовые, в одно плечо которых включается выходная емкость датчика, а в другое может быть подключена емкость между стрелкой и электродом-подложкой, которая не зависит от положения стрелки на шкале и имеет значение того же порядка, что и выходная емкость датчика. Такое исполнение преобразующей схемы требует меньшего числа дополнительных элементов и повышает чувствительность датчика положения стрелки. Кроме того, из-за малых значений выходных емкостей датчика уровни полезного сигнала и помех, вносимых, например, перемещением предметов вблизи прибора, рядом стоящими приборами, могут быть близкими и исказить выходной емкостной сигнал прибора. А электрод-подложка играет для датчика роль экрана от внешних электростатических помех, обеспечивая надежное определение положения стрелки относительно отметок шкалы.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1, 2 изображен пример конфигурации системы неподвижных электродов на шкале электроизмерительного прибора с емкостным датчиком положения стрелки;

на фиг. 3, 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 2 из токопроводящего материала, электрически изолированными как от шкалы, так и от остальных элементов конструкции прибора. Неподвижные электроды 2 представляют собой отдельные радиальные с центром на оси вращения стрелки слои, ориентированные относительно отметок шкалы, каждый из которых электрически соединен с отдельной дополнительной клеммой.

В предпочтительном варианте выполнения датчик положения указателя электроизмерительного прибора содержит дополнительный электрод-подложку 3 из токопроводящего материала, покрывающий заднюю поверхность шкалы 1, электрически изолированный как от шкалы, так и от остальных элементов конструкции прибора, и электрически соединенный 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 неподвижных слоев 2 из токопроводящего материала, ориентированных относительно отметок шкалы. При этом емкость между стрелкой и радиальными слоями изменяется. Получаемый емкостной выходной сигнал снимается с соответствующих клемм - минусовой и дополнительных. Емкость между стрелкой и каждым из отдельных слоев 2, нанесенных на лицевую поверхность шкалы 1, будет максимальной, если стрелка и слой соосны. А так как каждый слой 2 ориентирован относительно отметок шкалы и подключен к отдельной клемме, то по наибольшему из всех значений емкостей датчика можно определить, в окрестности какого радиального слоя находится в данный момент стрелка, а, следовательно, и местоположение стрелки относительно отметок шкалы. Емкость между стрелкой и электродом-подложкой 3 на обратной стороне шкалы 1 не зависит от угла поворота подвижной части прибора и используется в качестве конденсатора при включении емкостного датчика в мостовые измерительные схемы.

Электроизмерительный прибор с 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. Радиальные неподвижные слои на шкале в количестве 6 штук были соосны оцифрованным отметкам шкалы, имели ширину 2 мм, расстояние от нижнего края до оси вращения стрелки 15 мм и были электрически соединены с отдельными пронумерованными клеммами в корпусе прибора. Стрелка шириной 2мм, длиной 40мм, закрепленная на подвижной части прибора на расстоянии 1,5мм от поверхности шкалы, электрически соединена со штатной минусовой клеммой прибора. Дополнительный электрод-подложка покрывал всю заднюю поверхность шкалы и был электрически соединен с отдельной дополнительной клеммой. 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 радиальным слоем (дополнительными клеммами). Графики полученных зависимостей выходных емкостей датчика C положения указателя от входного сигнала прибора Ibx представлены на фиг.2. Максимумы графиков соответствуют расположению стрелки соосно соответствующему радиальному слою на шкале. Была измерена также емкость между стрелкой и дополнительным электродом-подложкой, расположенным на обратной стороне шкалы. Ее значение составило 3,6 пФ при описанных выше конструктивных параметрах электроизмерительного прибора.

Апробация подтвердила достижение технического результата - обеспечение возможности определения местоположения стрелки относительно отметок шкалы при произвольном изменении входного сигнала электроизмерительного прибора, а также возможность использования емкости между электродом-подложкой и стрелкой в мостовых измерительных схемах.