Стрелочный манометр с электрическим интерфейсом
DIAL GAUGE WITH ELECTRICAL INTERFACE

Изобретение относится к приборостроению, в частности к области создания стрелочных манометров, вакуумметров, мановакууметров и других приборов, корпуса которых имеют различные формы с защитным стеклом, расположенным над циферблатом.
Известно устройство для измерения давления (заявка №2012110415 опубл. 19.03.2012) содержащее корпус, внутри которого установлен держатель-основание, оканчивающийся штуцером для подключения измеряемого давления с внешней стороны корпуса, трубчатую пружину Бурдона, которая подвижным концом связана с помощью тяги с трибко-секторным передаточным механизмом, преобразующим перемещение свободного конца трубчатой пружины в круговое движение оси трибки, отличающееся тем, что на оси трибки установлен магнит, направление намагничивания которого перпендикулярно оси трибки, на держателе-основании или верхней плате трибко-секторного механизма установлена матрица датчиков Холла и введен электронный блок, вход которого электрически соединен с выходом с матрицы датчиков Холла, содержащий последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь, блок обработки информации и интерфейс выхода сигнала, фиксирующего абсолютное значение угла поворота оси трибки и, соответственно, величину измеряемого давления.
Известен электронно-механический измерительный прибор (патент №138072 опубл. 27.02.2014), содержащий размещенные в корпусе измерительный модуль, индикаторный модуль и модуль преобразования сигнала, индикаторный модуль представляет собой циферблат со шкалой и стрелочным указателем, измерительный модуль снабжен чувствительным узлом, содержащим магниточувствительный элемент, взаимодействующий с магнитным полем, создаваемым постоянным магнитом, который установлен на стрелочном указателе по его оси, магниточувствительный элемент содержит, по меньшей мере, два датчика Холла, установлен над постоянным магнитом на консоли кронштейна, который прикреплен к циферблату со шкалой. Магниточувствительный элемент соединен с модулем преобразования сигнала, который включает в себя последовательно соединенные аналогово-цифровой преобразователь, вычислитель угла, формирователь выходного сигнала.
Известен способ приведения в соответствие показаний шкалы циферблата манометра и значений измеряемого им давления среды (заявка №2004117207 опубл. 08.06.2004), заключающийся в том, что задают величины давления, которые измеряют, преобразуют в электрические сигналы и вводят измеренные значения в компьютер, регистрируют соответствующие различным величинам давления положения стрелки манометра. Задание величин давления осуществляют во внутренней полости манометрической пружины, механически связанной со стрелкой манометра, зарегистрированные положения стрелки манометра сканируют и в виде электрических сигналов вводят в компьютер, с помощью которого с учетом введенной в него информации моделируют шкалу циферблата манометра, данные о полученной модели шкалы циферблата передают в печатающий узел, с помощью которого осуществляют изготовление шкалы манометра на циферблате.
Так же известно устройство для преобразования значения давления газа в манометре с использованием технологии магнитоэлектрического энкодера (патент CN106338359 опубл. 08.01.2017), состоящее из циферблата, прикрепленного к переднему концу корпуса и печатной платы расположенной в корпусе. Внутреннее устройство снабжено монтажной платой. Отличающийся тем, что печатная плата снабжена магнитоэлектрическим энкодером, передний стрелочный указатель и задний стрелочный указатель расположены на циферблате, а переключающий магнит и герконовый переключатель расположены между циферблатом и печатной платой.
Известен прибор модели PGT23.100 производителя «WIKA», включающий в себя бесконтактный чувствительный элемент - электронный энкодер, который определяет положение вала стрелки пропорционально изменению давления. В манометр встроен электронный преобразователь, представляющий собой преобразователь давления с возможностью местного отображения показаний в виде электрического выходного сигнала 4-20 мА. Имеет возможность перенастройки нулевой точки механическим и электронным способом.
Наряду с достоинствами данных манометров есть и недостатки - устаревшие принцип действия и конструктивное исполнение, что приводит к невозможности достижения у приборов высокого класса точности и ограничению их функциональных возможностей для применения в современных измерительных системах.
Наиболее близким по технической сути (прототипом) является сигнальный манометр (заявка №2012157838 опубл. 27.12.2012), содержащий цилиндрический корпус, внутри которого установлен держатель-основание, оканчивающийся штуцером для подключения к измеряемому давлению с внешней стороны корпуса прибора, механизм преобразования давления в поворот стрелочного индикатора, обечайку с лицевой стороны прибора, закрепляющую защитное органическое стекло и шкалу с цифровыми отметками значений давления, отличающийся тем, что в центре вращения стрелочного индикатора установлен магнит энкодера, над которым закреплен электронный преобразователь, выход которого является выходом энкодера, а процессор, введенный для повышения точности, соединен своим входом с выходом энкодера, и выход процессора является выходным сигналом, а сигнальное устройство соединено своими входами с управляющими выходами процессора. Прибор дополнительно оснащен блокам управления процессором, который имеет два режима работы: первый режим работы - КАЛИБРОВКА, при которой осуществляется совмещением стрелочного индикатора с оцифрованными отметками шкалы прибора с формированием и запоминанием процессором закона аппроксимации показаний, а также запоминанием значений уставок (min/max) сигнального устройства; а второй режим работы - ИЗМЕРЕНИЕ и СИГНАЛИЗАЦИЯ - преобразование энкодером угла поворота стрелочного индикатора в цифровой сигнал, корректировка его погрешности процессором по результатам калибровки и формирование выходного сигнала, а также сигнализация по установленным уставкам.
Недостатками прототипа являются аналогичные недостатки известных приборов, кроме этого есть и другие существенные недостатки, а именно:
- погрешность механической части системы манометра, возникающая на этапе «калибровка», в силу того что на вход манометра не подается эталонное давление.
- невозможность ручного совмещения стрелочного указателя с нулевой отметкой шкалы циферблата, поскольку при совмещении может произойти срыв стрелочного указателя с места установки на трибке [1], что приведет к повреждению манометра.
Целью предлагаемого технического решения является повышение точности измерения, путем снижения погрешности калибровки за счет подачи калибровочных эталонных давлений на вход стрелочного манометра, создания и применения индивидуальной шкалы стрелочного указателя, а также расширения функциональных возможностей и применения цифровых технологий.
Технический результат достигается тем, что стрелочный манометр с электрическим интерфейсом, содержит корпус с циферблатом, стрелочный указатель, энкодер, магнит, которые установлены соосно с осью вращения стрелочного индикатора, микроконтроллер (процессор) с цифровым интерфейсом для управления режимами работы манометра и обработки данных от энкодера. С целью повышения точности и развития функциональных возможностей манометра в режиме работы «калибровка» дополнительно вводится: шкалограф, вход которого подключается к выходу микроконтроллера с помощью цифрового интерфейса, источник эталонных давлений, выход которого подключается ко входу манометра; в режиме работы «калибровка» от источника эталонных давлений на вход манометра последовательно, с определенным шагом, подается точно заданное давление, и измеряются углы поворота трибки с помощью энкодера. Микроконтроллером запоминаются эти значения и рассчитываются коэффициенты уравнения шкалы манометра. Полученный вид индивидуальной шкалы шкалографом наносится на циферблат, а в процессе сборки манометра нулевое положение стрелочного указателя совмещается с нулевым показанием индивидуальной шкалы циферблата, тем самым устраняя погрешность стрелочного манометра. В режиме работы «измерение» на вход манометра подают измеряемое давление, значение которого определяется по шкале на циферблате с помощью стрелочного указателя и по углу поворота оси стрелочного указателя с помощью энкодера и микроконтроллера, а управление информационными выходами манометра осуществляется с помощью микроконтроллера.
Для осуществления режима работы «калибровка» (фиг. 1) необходим источник эталонных давлений 1, калибруемый манометр 2, шкалограф 3 и циферблат 4 без нанесенной заранее шкалы. Источник эталонных давлений 1 необходим для задания давлений с минимальной погрешностью, требуемых в режиме работы «калибровка». Шкалограф 3, представляющий собой компьютер с подключенным к нему печатающим устройством, способным печатать шкалу прибора как непосредственно на циферблат прибора, так и на другой приемлемый объект, используется для получения данных об уравнении шкалы от калибруемого манометра 2 и для создания циферблата 4 с индивидуальной шкалой.
n
В режиме работы «калибровка» на вход манометра последовательно, с определенным шагом, подается точно заданное давление, с помощью энкодера измеряется угол поворота стрелочного указателя, запоминаются эти значения и определяются коэффициенты уравнения шкалы манометра k в виде полинома n-степени, к примеру, используя метод наименьших квадратов. Уравнение шкалы полученное в режиме «калибровка» передается в шкалограф и осуществляется нанесение индивидуальной шкалы на циферблат, согласно данному уравнению. Далее при сборке манометра производится установка циферблата на держатель, при этом, нулевое положение стрелочного указателя совмещается с нулевым показанием индивидуальной шкалы циферблата, тем самым устраняя погрешность механической части системы манометра.
В режиме «измерение» определяется значение измеряемого давления, в соответствии с угловыми значениями от энкодера, которые поступают в микроконтроллер по электрическому интерфейсу передачи данных и преобразуются согласно уравнению шкалы, полученному и запомненному в режиме «калибровка».
На фигуре 2 изображена структурная схема, включающая основные блоки манометра и необходимые устройства для реализации режимов работы манометра. Стрелочный манометр в упрощенном виде содержит печатный узел 5 и механизм преобразования давления в поворот стрелочного указателя 6. Печатный узел манометра включает в себя печатную плату с прикрепленными к ней электрическими и механическими элементами, необходимыми для реализации режимов работы устройства. Энкодер 7 в зависимости от положения магнита закрепленного на трибке механизма 6 передает цифровые данные в микроконтроллер 8. Дополнительные выходы микроконтроллера 8 соединены с цифровым индикатором 9 для отображения измеренных значений давления и настройки режимов работы устройства.
Доступ к режимам работы предоставляется в меню, реализованном с помощью кнопочного интерфейса 14 и цифрового индикатора 9. Основное назначение применения цифрового индикатора 9 в стрелочном манометре заключается в визуализации цифровых показаний давления, команд и режимов работы манометра. Также использование цифрового индикатора 9 обосновано возможностью управления работой манометра без подключения к ПК.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет решить задачу по повышению точности приборов и расширения их функциональных возможностей. Пример реализации:
1. Прибор работает в режиме «калибровка» после нажатия оператором 10 определенной комбинации кнопок 14 «↑», «↓», «». При включении прибор работает в режиме «измерение», при этом на цифровом индикаторе 9 отображаются значения измеренного давления.
2. В режиме «калибровка» оператору 10 предлагается выбрать единицы измерения значений давления и задать максимальное значение давление Ртах согласно документации на калибруемый манометр с помощью кнопок 14. Данная информация записывается в память микроконтроллера 8 и используется для расчета шага подачи эталонных давлений.
mах
0
3. После завершения пункта 2, на цифровом индикаторе 9 появляется запрос на подачу первого эталонного давления. После подачи стабильного эталонного давления с помощью источника эталонных давлений 1, оператору 10 необходимо нажать кнопку «S». После чего микроконтроллер 8 несколько раз считывает с энкодера 7 значение угла поворота стрелочного указателя при одном эталонном давлении, усредняет это значение угла и запоминает. Шаг подачи эталонного давления рассчитывается микроконтроллером 8, в соответствии с массивом опорных точек, исходя из ранее выбранного оператором 10 максимального давления Р калибруемого манометра. Эталонное давление для первой опорной точки всегда Р=0 ед.
4. После завершения считывания значения угла повтора стрелочного указателя с энкодера 7 на цифровом индикаторе 9 появляется сообщение с ожиданием следующего эталонного давления. Таким образом, производится измерение углового положения стрелочного указателя в нескольких точках, соответствующих точно заданным значениям давления с источника эталонных давлений 1. Полученные данные используются для формирования уравнения шкалы.
5. После измерения угла при всех необходимых эталонных давлениях, на цифровом индикаторе 9 появляется запрос о завершении «калибровки» и переходе в режим «измерение» и передаче информации об уравнении шкалы на шкалограф по цифровому интерфейсу 13 или повторении калибровки. С помощью кнопок 14 выбирается необходимое. Шкалограф 3 в соответствии с полученными данными уравнения шкалы наносит чертеж индивидуальной шкалы на циферблат 4.
6. Согласно алгоритму работы микроконтроллера 8 в режиме «измерение» полученные угловые показания пересчитываются в соответствующие значения давления по индивидуальной шкале прибора, полученной в режиме работы «калибровка». Данные о значениях давления для управления передаются устройством по цифровому и аналоговому интерфейсу 13.
7. Для ввода значений давления (уставок) необходимых для управления внешними приборами, например, с помощью устройств коммутации внешних электрических цепей 11, потребителю необходимо из режима «измерение» войти в меню путем нажатия в течении определенного времени кнопки ». Затем выбрать и перенастроить новые значения уставок (значения давления для управления) с помощью кнопок 14. На лицевой панели манометра расположена светодиодная индикация уставок 12.
1. Маланов А. Г., Жуков Ю. П., Зудин В. Л. ДАТЧИКИ: ИЗМЕРЕНИЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, ДЕФОРМАЦИЙ И УСИЛИЙ. - 2020.