CC BY
13
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
УДК 621.317.39 В. Н. ШИВРИНСКИЙ
ЁМКОСТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ СТРЕЛОЧНОГО УКАЗАТЕЛЯ
Рассматриваются схемы дифференциальных ёмкостных преобразователей для измерительных приборов со стрелочными указателями.
Ключевые слова: ёмкостный преобразователь, измерительный прибор, стрелочный указатель
Информация, представляемая измерительными приборами со стрелочными указателями, считывается визуально оператором, который принимает необходимые меры в экстремальных ситуациях. При этом возможны ошибки, связанные с субъективной оценкой ситуации и замедленной реакцией оператора. Все дополнительные возможности по аварийному блокированию элементов системы, частичной автоматизации контроля и управления, запоминанию и документированию значений измеряемых параметров реализуются путём введения в систему дополнительного аппаратного обеспечения, часто очень сложного. Использование для этих целей стрелочных измерительных приборов с ёмкостным преобразователем положения стрелки позволит намного упростить структуру управляющих и контрольно-измерительных систем.
Возможность определения положения стрелки относительно отметок шкалы обеспечивается наличием в измерительном приборе ёмкостного преобразователя, сформированного подвижным электродом - стрелкой и системой неподвижных электродов, наносимой на шкалу и электрически изолированной как от шкалы, так и от остальных элементов конструкции прибора. На рис. 1 приведены примеры выполнения системы неподвижных электродов на шкале электроизмерительного прибора [1, 2], где приняты следующие обозначения: 0^4 -оцифрованные отметки шкалы, 5 - шкала прибора, 6^11, 13^15 - неподвижные электроды ёмкостного преобразователя, 12 - стрелочный указатель. Система неподвижных электродов представляет собой один или несколько концентрических дугообразных слоёв с центром
© Шивринский В. Н., 2015
на оси вращения стрелки, отделённых друг от друга пазами.
В преобразователе с дискретным выходом (рис. 1, а) каждый слой разделён радиальными пазами, ориентированными относительно отметок шкалы, на несколько секторов, объединённых электрически в два электрода так, что соседние секторы слоя относятся к разным электродам (6 и 7, 8 и 9, 10 и 11). Радиальные пазы между секторами в разных слоях не соосны, а соседние по ходу движения стрелки радиальные пазы между секторами относятся к разным дугообразным слоям. Под действием измеряемого сигнала подвижная часть прибора поворачивается, и стрелка изменяет своё положение относительно отметок шкалы 5 и системы неподвижных электродов 6^ 11. Выходные ёмкости каждого слоя в окрестности радиального паза изменяются так, что при движении стрелки над поверхностью одного электрода, через паз и далее над поверхностью другого электрода, ёмкость между стрелкой и первым электродом будет уменьшаться, а между стрелкой и другим электродом - увеличиваться. Так как все радиальные пазы дугообразных слоёв ориентированы относительно отметок шкалы, то использование такого преобразователя позволяет определить положение стрелки на шкале с точностью до сектора, ограниченного соседними радиальными пазами системы неподвижных электродов.
В преобразователе с аналоговым выходом (рис. 1, б) первый слой разделён пазом на две части 13 и 14. Возможность определения положения стрелки 12 относительно отметок шкалы 5 обеспечивается тем, что форма паза между электродами такова, что площади перекрытия электродов и стрелки при её движении в одну сторону изменяются монотонно и дифференциально относительно
Рис. 1. Система электродов ёмкостного преобразователя на шкале электроизмерительного прибора: (а) - с дискретным выходом, (б) - с аналоговым выходом
Рис. 2. Система электродов ёмкостного преобразователя в виде концентрических колец (а), разделённых радиальными пазами на дугообразные секторы и пазами с возможностью дифференциального, синусоидального и косинусоидального изменения ёмкостей (б)
друг друга. При этом выходные ёмкости преобразователя также будут изменяться дифференциально и монотонно, что позволяет привести в однозначное соответствие угловое положение стрелки и значения выходных ёмкостей. Под действием измеряемого сигнала подвижная часть прибора поворачивается, и стрелка 12 изменяет своё положение относительно отметок шкалы 5 и системы неподвижных электродов 13 и 14. Форма паза выполняется такой, что площади перекрытия стрелки 12 и одного из электродов (например, 14) увеличивается, как и соответствующая выходная ёмкость, а другого электрода (13) -уменьшается вместе с соответствующей ёмкостью. Дополнительный дугообразный слой 15 используется для учёта изменения зазора между стрелкой 12 и шкалой 5.
При размещении рассмотренных ёмкостных преобразователей в приборах с круговой шкалой и стрелочным указателем, имеющим хвостовую часть, уменьшается чувствительность преобразователя, а также наблюдается неоднозначность отсчёта при изменении угла отклонения стрелочного указателя в диапазоне от 0 до 360о. На рис. 2 приведены примеры выполнения
системы неподвижных электродов для прибора с круговой шкалой [3], где приняты следующие обозначения: 1 - круговая шкала прибора, 2^5 -неподвижные электроды в виде
концентрических колец, 6 - стрелка, 7 -хвостовая часть стрелки 6, 8^11 - дугообразные секторы кольца 2, 12^13 - электроды кольца 3, 14^15 - электроды кольца 4.
Под действием измеряемого сигнала стрелка изменяет своё положение относительно отметок шкалы 1 и системы неподвижных электродов 8^15. При нахождении стрелки 6 в зоне электродов 8^11 выходные ёмкости соответствующих электродов постоянны и имеют максимальные значения. При движении стрелки в окрестностях радиального паза, разделяющего эти электроды, ёмкость одного электрода будет уменьшаться, а другого увеличиваться.
В зоне электродов 12^15 находится часть стрелки 6 и её хвостовик 7 (рис. 2, б). Пазы между электродами 12^13 и 14^15 обеспечивают возможность дифференциального, синусоидального и косинусоидального изменения ёмкостей между стрелкой и соответствующим электродом.
Рис. 3. Зависимости выходных ёмкостей преобразователя от угла поворота стрелочного указателя, имеющего хвостовую часть
Результаты экспериментального исследования опытного образца рассматриваемого ёмкостного преобразователя углового положения стрелочного указателя приведены на рис. 3, где С8^Сц - зависимости изменения выходных ёмкостей между стрелкой 6 и неподвижными электродами 8^11 соответственно; С12^С15 - зависимости изменения выходных ёмкостей между стрелкой 6 и неподвижными электродами 12^15 соответственно, при изменении угла поворота стрелочного указателя от 0 до 360о.
Применение в преобразователе для формирования выходной ёмкости в зоне неподвижных электродов 12^15 части стрелки 6 и её хвостовика 7 увеличивает суммарную длину подвижного электрода, что приводит к увеличению чувствительности ёмкостного преобразователя.
В то же время зависимости С12^С15 изменяются в два периода за один оборот стрелки 6, что может привести к неоднозначности определения углового положения указателя. Для исключения неоднозначности и используются выходные ёмкости электродов 8^11.
Выходная ёмкость между стрелкой 6 и дополнительным неподвижным электродом в виде концентрического кольца 5 не зависит от
угла поворота стрелки и может использоваться для ввода поправки на изменение зазора между стрелкой и шкалой.
В рассмотренных схемах преобразователей выходные ёмкости неподвижных электродов изменяются дифференциально, поэтому целесообразно для их измерения применить ёмкостно-диодную схему [4], размещённую непосредственно на шкале измерительного прибора с противоположной стороны от неподвижных электродов ёмкостного
преобразователя.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пат. 2121661 Российской Федерации, МПК О 01 D 5/00, G 01 R 5/00. Электроизмерительный прибор / Г. В. Медведев, Д. Л. Фёдоров, В. Н. Шивринский, В. А. Мишин; заявитель и патентообладатель Ульяновский государственный технический университет -№96121758/09; заявл. 12.11.96 ; опубл. 10.11.98, Бюл. № 31. - 5 с.
2. Пат. 2122180 Российской Федерации, МПК О 01 D 5/00, О 01 R 5/00. Электроизмерительный прибор / Г. В. Медведев, Д. Л. Фёдоров, В. Н. Шивринский, В. А. Мишин; заявитель и патентообладатель Ульяновский государственный технический университет -№96121749/09 ; заявл. 12.11.96 ; опубл. 20.11.98, Бюл. № 32. - 6 с.
3. Заявка на патент Российской Федерации на полезную модель, МПК 001Б 3/00. Ёмкостный датчик углового положения стрелочного указателя / В. Н. Шивринский; заявитель Ульяновский государственный технический университет - №2015109024/28 (014289); заявл. 13.03.2015.
4. Пат. 2173859 Российской Федерации, МПК О 01 R 27/26. Устройство для измерения ёмкости конденсатора / Г. В. Медведев, В. А. Мишин, В. Н. Шивринский; заявитель и патентообладатель Ульяновский государственный технический университет - №2000128165/09 ; заявл. 10.11.2000 ; опубл. 20.09.2001, Бюл. №26. - 5 с.
Шивринский Вячеслав Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Измерительно-вычислительные комплексы» УлГТУ. Имеет научные работы в области авиационного приборостроения.
Поступила 21.05.2015 г.
