Погрешности емкостных датчиков положения стрелки электроизмерительных приборов

ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ЭЛЕКТРОНИКА

УДК 621.317.3.084

Г.В.МЕДВЕДЕВ, Д.Л.ФЕДОРОВ

ПОГРЕШНОСТИ ЕМКОСТНЫХ ДАТЧИКОВ ПОЛОЖЕНИЯ СТРЕЛКИ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Рассмотрены источники погрешностей встроенных емкостных датчиков положения стрелки электроизмерительных приборов, предназначенных для использования в различных автоматизированных контрольно-измерительных системах. Произведена оценка суммарных основных погрешностей таких датчиков. Предложены способы повышения точности определения положения стрелки приборов.

Стрелочные электроизмерительные приборы в настоящее время широко используются во всех отраслях техники, а также промышленных технологических процессах как средства контроля и индикации значений электрических величин. Высокая конкурентоспособность стрелочных приборов сохраняется в течение многих десятков лет за счет простоты и надежности конструкции, широкого спектра измеряемых величин, удобного способа отображения результата измерения, низкой стоимости, других эксплуатационных характеристик. Выпуском таких средств измерений занимаются более 20 компаний во всем мире, объемы производства которых стабильно достигают 300-500 тысяч приборов в год. В России основным производителем стрелочных электроизмерительных приборов является ОАО «Электроприбор», г.Чебоксары, выпускающий широкую номенклатуру аналоговых измерительных средств в течение уже более 40 лет.

С развитием измерительной техники, в частности, цифровых средств сбора и обработки информации, к средствам измерений стали предъявляться дополнительные требования. Все современные цифровые измерительные приборы имеют встроенные средства сопряжения со стандартными интерфейсами информационных систем (Я8-232, ЯБ-485 и т.д.), дополнительные функциональные возможности. Принцип действия аналоговых электроизмерительных приборов не позволяет напрямую получить результат измерения в виде стандартного электрического сигнала или цифрового кода. Поэтому для обеспечения возможности сопряжения таких приборов с автоматизированными системами сбора и обработки информации необходимо дополнить их конструкцию соответствующими средствами преобразования.

На кафедре «Измерительно-вычислительные комплексы» УлГТУ была разработана конструкция встроенного емкостного датчика положения

стрелки (ВЕД) электроизмерительного прибора, преобразующего угловое положение стрелки в электрический сигнал. Использование такого датчика позволяет преобразовывать показания стрелочного прибора (результат измерения входной величины) в электрический сигнал с определенным законом изменения. Прибор со встроенным контролем показаний уже может быть использован в системах с автоматическим сбором измерительной информации для целей контроля и управления.

Емкостный датчик положения стрелки прибора включает в себя два электрода (подвижный и неподвижный), емкость между которыми изменяется в зависимости от углового положения стрелки, а также измерительную схему для преобразования емкости в электрический сигнал. Разработанная конструкция ВЕД подробно рассмотрена в [1,2].

В работе [2] были разработаны несколько вариантов конструкции ВЕД, предназначенных для автоматизации решения различных контрольноизмерительных задач с помощью усовершенствованных приборов. При этом разрабатывались формы неподвижного электрода, а также подбирались измерительные схемы датчика. В частности, была предложена форма неподвижного электрода датчика, предназначенного для автоматизации поверки стрелочных приборов. На рис. 1 представлена форма неподвижного электрода, а также экспериментальный график зависимости выходной емкости ВЕД от входного сигнала прибора. График получен на макете, изготовленном на базе прибора типа М42100 (предел измерения - 1мА, изготовитель - ОАО «Электроприбор», г.Чебоксары).

С,пФ

Рис. 1. Форма неподвижного электрода датчика и экспериментальный график его выходной характеристики

Исследования макета показали, что максимумы выходной емкости датчика соответствуют соосному расположению стрелки и радиальных слоев неподвижного электрода. Если совместить радиальные слои с поверяемыми отметками шкалы прибора, то поверку прибора с ВЕД можно произво-

дить автоматически. Для этого датчик должен содержать измерительную схему с выходным сигналом, пропорциональным емкости и удобным для аналого-цифрового преобразования, а измерительный вход прибора должен быть подключен к программируемому источнику калиброванного сигнала, позволяющему отклонить стрелку до полного раствора шкалы. Устройство обработки информации (ЭВМ) управляет калибратором и принимает оцифрованный выходной сигнал датчика. В системе может быть реализован алгоритм поверки методом совмещения, причем момент соосности стрелки и поверяемой отметки шкалы определяется по максимуму выходного сигнала ВЕД.

Для оценки качества предложенного метода автоматизированной поверки важно установить, с какой погрешностью определяется класс точности поверяемого прибора. Эта погрешность будет включать в себя ошибку определения момента соосности стрелки и поверяемой отметки шкалы, то есть погрешность ВЕД.

Погрешность ВЕД будет складываться из нескольких составляющих. Можно выделить следующие основные источники, влияющие на выходную характеристику датчика:

1 . Изменение расстояния между стрелкой и шкалой прибора. Поскольку информативным в ВЕД является изменение площади перекрытия его электродов, то изменение расстояния между ними приводит к нежелательному искажению выходной характеристики. Исследования показали, что искажения в выходной характеристике датчика, вызываемые равномерным и неравномерным по длине стрелки изменением зазора между электродами, носят мультипликативный и аддитивный характер. То есть на расположение максимумов выходной емкости эта помеха влияния не оказывает, что позволяет в данном случае ею пренебречь.

2. Изменение температуры окружающей среды. Приводит к изменению линейных размеров элементов конструкции ВЕД, в частности, расстояния между стрелкой и шкалой (по расчетам для прибора типа М42100 расстояние изменится на 0,3% при изменении температуры на 100°С). Возможен также температурный дрейф элементов измерительной схемы. Однако, как правило, это не приводит к изменению пропорционального характера зависимости выходного сигнала схемы от входной емкости. Таким образом, положение максимумов выходной характеристики ВЕД от температуры не зависит, и ее влиянием можно пренебречь.

3. Неточности изготовления формы неподвижного электрода и нанесения рисунка на шкалу. Исследование точностных характеристик оборудования и технологий, применяемых при серийном производстве щитовых приборов [3], показало, что суммарная инструментальная погрешность выполнения неподвижных электродов датчика и нанесения рисунка на шкалу для приборов габарита 80x80 (серия М42300 ОАО «Электроприбор») равна 0,21%.

4. Нестабильность характеристик измерительной схемы. Возможна за счет временного дрейфа параметров элементов схемы (старение, перемежающиеся отказы), который приводит к самоустраняющемуся или стабильному искажению ее выходной характеристики. Исследование схем, выбранных для использования в ВЕД (генераторные, мостовые), показало, что изменение параметров элементов, сохраняющее пропорциональность зависимости выходного сигнала схемы от входной емкости, не приводит к изменению положения максимумов на выходной характеристике датчика и, следовательно, не влияет на его работоспособность. В противном случае можно констатировать отказ датчика.

5. Внешние воздействия. Поскольку электрическое поле между электродами ВЕД распространяется в объеме перед лицевой панелью прибора и за шкалой, на выходные емкости значительное влияние оказывает распределения масс и внешних полей, расположенных в ближайшей окрестности прибора. Эксперименты показали, что ошибки определения положения стрелки рассматриваемым датчиком возможны только при резком изменении распределения масс и полей в окрестности прибора (например, при поднесении руки к лицевой панели выходной сигнал датчика изменяется на ~30%). Поэтому при работе прибора с ВЕД следует избегать таких действий либо применять специальные методы защиты (например, нанесение прозрачного экранирующего слоя на обратную поверхность лицевой панели).

6. Вибрации и удары. Влияние механических воздействий на ВЕД может проявляться как во время, так и после их прекращения. При колебаниях прибора возможно появление в выходном сигнале датчика помех, вызванных изменением зазора между стрелкой и шкалой а также поворотом стрелки вокруг своей оси. В случае удара помеха может вызвать появление в выходном сигнале ВЕД ложного максимума и ошибочное срабатывание системы обработки измерительной информации. При вибрациях в выходном сигнале может появиться переменная составляющая, соответствующая воздействующим на прибор виброускорениям, с теми же последствиями. Поэтому использовать рассматриваемый ВЕД при воздействии механических нагрузок нежелательно, либо необходимо отфильтровать из выходного сигнала составляющие, вызываемые механическими колебаниями элементов конструкции. После прекращения механических воздействий возможно изменение формы электродов датчика и их взаиморасположения. Однако технология вибростабилизации приборов, применяемая на ОАО «Электроприбор», позволяет свести эти эффекты к минимуму.

Таким образом, для датчика рис. 1 , используемого в нормальных условиях в составе системы автоматической поверки приборов, можно учитывать только инструментальные погрешности их изготовления, которые составят максимум 0,21%. Если предположить, что суммарная погрешность

других элементов системы поверки не превышает 0,3%, то с ее помощью можно поверять приборы класса точности 1,5 и ниже.

Поскольку изменение выходной емкости ВЕД очень мало (порядка десятых долей пикофарады), был разработан ряд вариантов конструкции датчиков с дифференциальной структурой неподвижного электрода, что позволило повысить чувствительность датчика за счет использования соответствующих измерительных схем. Для решения задачи дискретного определения положения стрелки при произвольном характере изменения входного сигнала прибора и с выдачей измерительной информации в виде цифрового кода была разработана форма неподвижного электрода, изображенная на рис.2.

Рис.2. Форма неподвижных электродов датчика

Неподвижный электрод состоит из пяти отдельных дугообразных слоев, каждый из которых разделен на две изолированные части (1а и 1б, 2а и 2б, и т.д. на рис.2). Каждый дугообразный слой составляет отдельный дифференциальный измерительный канал ВЕД (всего пять каналов). В качестве измерительной схемы для каждого измерительного канала предложена схема с диодным кольцом [4], пропорционально преобразующая разность двух дифференциально изменяющихся емкостей в напряжение постоянного тока.

При форме неподвижных электродов датчика, изображенной на рис.2, рабочее поле шкалы можно условно разделить на 22 сектора (с 0 по 21 на рис.2). В идеальном случае при переходе стрелки через границу соседних секторов шкалы выходное напряжение измерительной схемы одного из каналов ВЕД изменит знак (в этом канале площади перекрытия электродов и выходные емкости на границе секторов будут равны друг другу). Сигналы со всех измерительных схем подаются на компараторы для преобразования в цифровой код, причем каждому сектору шкалы будет соответствовать свое значение выходного кода ВЕД.

Расширение функциональных возможностей датчика и усложнение его

структуры приводит к увеличению погрешности определения положения

стрелки прибора. Основные источники погрешностей будут теми же, что и

для предыдущей конструкции ВЕД.

1 . Равномерное по длине стрелки изменение зазора между электродами датчика вызовет мультипликативное искажение его выходной характеристики, что, однако, не повлияет на положение точек равенства выходных емкостей каналов. При наклоне стрелки относительно плоскости шкалы границы секторов сместятся пропорционально углу наклона и ширине дугообразных слоев неподвижного электрода. Исследования показали, что при нанесении неподвижного электрода в виде пяти дугообразных слоев на шкалу прибора с размером наличника 160x160 мм технологически допустимые наклоны стрелки вызывают максимальную приведенную погрешность 0,1%.

2. Температурные погрешности, вносимые в выходную характеристику датчика тепловым изменением линейных размеров электродов, не повлияют на расположение границ секторов шкалы и могут не учитываться.

3. Погрешность от неточного нанесения на шкалу неподвижного электрода и рисунка не будет, как и в предыдущем случае, превышать 0,21%. Однако, следует заметить, что реально форма неподвижного электрода, изображенная на рис.2, не обеспечивает равенство выходных емкостей каналов датчика на показанных границах секторов шкалы. Поэтому необходимо принимать меры по корректировке выходной характеристики датчика для приведения ее к номинальной, например, путем смещения порогов срабатывания выходных компараторов. Эта процедура должна быть выполнена при начальной регулировке прибора при его производстве.

4. Нестабильность характеристик элементов измерительной схемы ВЕД будет сильно влиять на его выходной сигнал из-за усложнения схемных решений, применения усилителей выходного сигнала и компараторов с регулируемым порогом срабатывания и гистерезисом. Поэтому периодически нужно проверять показания датчика и при необходимости производить его регулировку, изменяя пороги срабатывания компараторов.

5. Влияние внешних воздействий на показания ВЕД может быть сведено к минимуму за счет использования экранирующего покрытия на обратной стороне шкалы, а также равенства площадей неподвижных электродов каждого канала. Этими погрешностями можно пренебречь при условии отсутствия объектов ближе 10-15 см перед лицевой панелью прибора.

6. При воздействии на прибор удара в выходном сигнале рассматриваемого ВЕД появится кратковременный выброс, что может привести к ложному изменению выходного кода. Влияние этого эффекта может быть исключено при использовании фильтра выходного сигнала датчика. Вибрации прибора вызовут появление в выходном сигнале измерительной схемы

еще одной переменной составляющей, которая будет отфильтрована при выделении информативного постоянного сигнала.

Таким образом, ВЕД рассматриваемой конструкции будет иметь систематическую инструментальную погрешность с максимальным значением 0,31%, а также возможно появление погрешностей из-за нестабильности параметров элементов измерительной схемы и влияния внешних воздействий. С помощью датчика рис.2 можно определять угловое положение стрелки прибора с точностью ±3% и получением выходного сигнала в виде 5-разрядного кода.

Еще одна конструкция ВЕД предназначена для получения стандартного электрического выходного сигнала, пропорционального углу поворота стрелки. Форма его неподвижного электрода изображена на рис.3.

Датчик имеет две дифференциально изменяющиеся выходные емкости, разность между которыми преобразуется

измерительной схемой с диодным кольцом в напряжение постоянного тока и далее масштабирующим усилителем - в стандартный электрический сигнал. В идеальном случае выходной сигнал датчика до усиления прямо пропорционален углу положения стрелки и принимает нулевое значение при нахождении Рис.3. Форма неподвижного стрелки в середине шкалы. Приборы с таким электрода датчика

ВЕД наиболее универсальны, однако

исследование макетов приборов показало, что описанная конструкция датчика наиболее сильно подвержена влиянию помех и имеет высокий уровень погрешности.

1 . Равномерное и неравномерное по длине стрелки изменение зазора между стрелкой и шкалой приводит к искажению формы выходной характеристики ВЕД, причем погрешность преобразования при изменении зазора в пределах 0,5 - 2,0 мм (технологические допуски) может достигать 30-40%. Поэтому каждый ВЕД необходимо индивидуально градуировать либо при производстве, либо перед началом эксплуатации. Для компенсации погрешности от изменения зазора в процессе эксплуатации прибора можно использовать дополнительный датчик расстояния от стрелки до шкалы.

2. При изменении температуры окружающей среды в пределах рабочего диапазона прибора от минус 40 до плюс 60°С) со шкалой, изготовленной из листового гетинакса, тепловое изменение линейных размеров шкалы приводит к возникновению дополнительной погрешности до 0,3%.

3. Инструментальная погрешность изготовления шкалы с неподвижными электродами достигает 0,21%, как и в предыдущих случаях. Неидеаль-ность формы выходной характеристики из-за погрешностей расчета

формы неподвижных электродов учитывается при начальной градуировке ВЕД.

4. Нестабильность параметров элементов измерительной схемы, как и в предыдущем случае, будет сильно влиять на выходную характеристику датчика. Для компенсации этого влияния нужно периодически производить подстройку коэффициента усиления и напряжения смещения выходного масштабирующего усилителя.

5. Влияние внешних воздействий, а также механических нагрузок на рассматриваемый датчик и способы его минимизации аналогичны предыдущей конструкции ВЕД.

Суммарная систематическая погрешность ВЕД со стандартным электрическим выходным сигналом может достигать 0,31%. Влияние помех на выходную характеристику датчика можно минимизировать или компенсировать указанными выше способами, которые, однако, требуют дополнительных аппаратных затрат и не всегда эффективны. Поэтому использование приборов с таким датчиком возможно только в системах, где не требуется высокой точности измерительной информации.

Таким образом, были рассмотрены основные варианты конструкции ВЕД, позволяющих решать различные контрольно-измерительные задачи, а также источники и значения их погрешностей. Анализ показал, что расширение функциональных возможностей приборов с такими датчиками приводит к усложнению их конструкции и, соответственно, снижению надежности и точности. Поэтому при проектировании систем, использующих такие приборы, следует выбирать оптимальные с точки зрения функциональных возможностей и точности конструкции ВЕД либо применять датчики с неподвижными электродами, представляющими собой комбинацию рассмотренных выше. Разработка таких датчиков ведется в настоящее время на кафедре ИВК УлГТУ совместно с ОАО «Электроприбор».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. А.с. 1308018. Электроизмерительный прибор и устройство для его поверки/ В.А.Мишин, Г.В.Медведев, Ф.С.Корчев// Открытия. Изобретения. 1987. № 7.

2. Федоров Д.Л. Разработка и исследование электроизмерительных приборов со встроенным емкостным датчиком положения стрелки: Дис. канд. техн. наук. Ульяновск, 1998. 166 с.

3. Медведев Г.В., Мишин В.А. Щитовые магнитоэлектрические приборы, пригодные для организации автоматизированного производства. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 1996. 132 с.

4. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин (Измерительные преобразователи). Л.: Энергоатомиздат, 1983. 320 с.

Медведев Геннадий Викторович, доктор технических наук, доцент, окончил Белгородский технологический институт, Чебоксарский государственный университет. Генеральный директор ОАО «Электроприбор», г.Чебоксары. Имеет монографии, статьи и патенты в области автоматизации контроля и сборки электроизмерительных приборов.

Федоров Дмитрий Леонидович, кандидат технических наук, окончил Ульяновский государственный технический университет. Ассистент кафедры «Измерительно-вычислительные комплексы» УлГТУ. Имеет статьи и патенты в области усовершенствования конструкции стрелочных приборов.

УДК 681.327

С.К. КИСЕЛЕВ, Н.О. ГРАЧЕВА

АВТОМАТИЧЕСКИЙ ВЫБОР РЕЖИМОВ РАБОТЫ ИИС С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АВТОАССОЦИАТИВНОЙ ПАМЯТИ

Предлагается метод выбора режима работы различных измерительных и автоматических систем на основе ассоциации его со значениями параметров контролируемого объекта. Рассматривается пример реализации предлагаемого метода в системе автоматической поверки стрелочных измерительных приборов с выполнением автоассо-циативной памяти на основе искусственной нейронной сети.

Современные ИИС, как совокупность функционально связанных устройств и алгоритмов для получения, передачи, преобразования, хранения, обработки, распределения и использования информации, широко используются как средство для решения самых разнообразных задач: мониторинга сложных объектов, автоматизированного управления технологическими процессами, проведения научных исследований и комплексных испытаний, автоматизированного проектирования, комплексной автоматизации производства, создания обучающих систем.

Большое значение для развития ИИС в 80-90-х годах сыграло широкое использование микропроцессоров и микроконтроллеров, что позволило значительно повысить качество средств измерений. Улучшились техникоэкономические и технологические характеристики систем, повысилось их быстродействие, надежность, точность измерений, была достигнута автоматизация измерений. Информационное обеспечение, за счет которого были достигнуто повышение данных показателей, базировалось на цифровой вычислительной обработке косвенных, совокупных и совместных измерений, на определении статистических характеристик измеряемых величин, цифровой фильтрации, выявлении и устранении отклонений сигналов от заданных их моделями (принятыми известными) уровней, внесении попра-