Введение к работе
Ашуалыюсть работы. Стрелочные электроизмерительные приборы являются самыми массовыми средствами измерений, выпускаемыми промышленностью большими партиями. К настоящему времени разработчиками и производителями таких приборов накоплен большой конструктивно-технологический потенциал. Среди преимуществ стрелочных приборов можно выделить: широкий
ставление информации в удобном для визуального считывания виде, небольшие габариты и масса, низкая стоимость.
Повышение конкурентоспособности стрелочных приборов на рынке средств измерений возможно за счет расширения их функциональных возможностей, позволяющих использовать их в автоматизированных системах измерения, контроля и управления. Для этого стрелочный прибор должен иметь возможность представлять информацию об измеряемом сигнале не только поворотом стрелки, но и в виде электрического сигната. Приборы с такими дополнительными свойствами позволят автоматизировать процедуры контроля, обработки и документирования информации на объектах типа приборных щитов без применения дорогостоящих цифровых измерительных средств.
Известен ряд способов считывания показаний стрелочных приборов и преобразования их в электрический сигнал. Однако, ни один из них не используется в производстве ввиду наличия недостатков, среди которых высокая стоимость, ограничения по условиям применения. Наиболее приемлемым лля применения в производстве является емкостной метод считывания показаний с использованием элементов прибора в качестве электродов емкостного датчика.
їїелью риуоть! является ^аз^нботкз и исследование стрелочных электроизмерительных приборов, содержащих встроенные емкостные датчики положения стрелки и имеющих возможность сопряжения с внешними устройствами -микропроцессорными контроллерами, ПЭВМ, устройствами отображения и сигнализации.
Эта цель достигается решением следующих основных задач:
-
Разработка конструктивных вариантов исполнения емкостного датчика положения стрелки, состоящего из подвижного электрода - стрелки и неподвижного - токопроводящей маски на шкале прибора, предназначенного для решения различных задач автоматизации съема показаний с прибора.
-
Разработка и исследование математических моделей емкостных датчиков положения стрелки, позволяющих получить функции преобразования для информативной составляющей выходной емкости датчика с различными формами неподвижных электродов.
-
Исследование факторов, влияющих на чувствительность и погрешности емкостного датчика положения стрелки, с целью обоснования выбора форм неподвижных электродов для повышения чувствительности и помехозащищенности датчика.
-
Выбор и обоснование измерительных схем для емкостных датчиков положения стрелки, обладающих высокой чувствительностью, стабильностью характеристик и малыми габаритами.
-
Разработка алгоритмов сбора и обработки измерительной информации и структурных схем сопряжения предложенных приборов с различными внешними устройствами, в to?«j числе в приборных щитах.
Методы выполнения исследований. Работа выполнена с использованием методов теории функций комплексного переменного, теории погрешностей средств измерений, численных методов интегрирования. Математическое моделирование, ОирЗиотка и анализ экспериментальных результатов проводились с помощью программы численного моделирования электромагнитных полей Тега Analysis QuickField v.3.40a, системы проектирования электронных устройств Mi-croSim Design Lab v.7.1, программной среды математического моделирования MathSoft MathCAD Pro v.7.0.
Достоверность полученных результатов подтверждена в ходе испытаний макетов разработанных приборов, изготовленных на производственной базе АО "Электроприбор" г.Чебоксары.
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:
-
В результате исследования возможных способов считывания показаний стрелочных электроизмерительных приборов установлено, что для задач контроля положения стрелки прибора в процессе его функционирования и передачи измерительной информации в каналы обработки и управления целесообразно использовать емкостной съем показаний, причем в качестве электродов емкостного датчика следует применять элементы прибора.
-
В зависимости от вида решаемых задач при автоматизации функционирования контрольно-измерительных систем, содержащих стрелочные приборы, выделены базовые варианты исполнения встроенных емкостных датчиков и получены в аналитическом виде функции преобразования для информативной составляющей их выходной емкости.
-
На основе анализа чувствительности и погрешностей базовых вариантов исполнения встроенных емкостных датчиков указаны пути повышения их чувствительности и помехозащищенности, с использованием которых разработаны конструкции, защищенные патентами РФ.
-
Для базовых вариантов исполнения встроенных емкостных датчиков произведен выбор и обоснование измерительных схем, не ухудшающих помехозащищенность, имеющих возможность размещения внутри щитового прибора с размером наличника (80x80) мм и более, а также обеспечивающих получение выходного сигнала в виде, удобном для дальнейшей обработки.
-
Разработаны алгоритмы обработки измерительной информации и структурные схемы сопряжения электроизмерительных приборов со встроенным емкостным датчиком положения стрелки с внешними устройствами для основных задач применения предложенных приборов, а также с учетом различных вариантов их исполнения и выбранных измерительных схем.
Практическая ценность работы состоит в том, что:
I. Получены рекомендации по повышению чувствительности и помехозащищенности встроенных емкостных датчиков, на основе которых разработаны вари-
анты исполнения датчиков и приборов, защищенные патентами РФ (решения выдаче патентов по заявкам №96121757, №96121758, №96121749, №97115971
-
Даны рекомендации по выбору элементной базы измерительных схем, обесп чивающие их размещение внутри ЩЭП с размером наличника (80x80) мм и б< лее. _
-
Разработаны и изготовлены на базе серийных ЩЭП типа М42100 приборы встроенными емкостными датчиками, обеспечивающие выходной сигнал в ві
ДЄ ПЄрЄМЄЇПІОГО Напряжения С ИЗМСКЛЮІДСііСЯ "iWTOTGH \*\jj і v*-i—jj Kx Ц u
двухполярном питании ±9B; в виде переменного напряжения с изменяющеш амплитудой ±30мВ при питании ~20В, ІбкГц; в виде напряжения постоянної тока, изменяющегося от 0 до 0,4В при питании ~-16В, 45кГц.
-
На основе изготовленных приборов разработан действующий макет автоматі зированного приборного щита, состоящий из 3 приборов, подключенных чер< интерфейсный блок к ПЭВМ, позволяющий вычислительному устройству НІ прерывно получать информацию о показаниях приборов па щите.
-
Даны рекомендации по конструктивной доработке щитовых злектроизмері тельных приборов и приборных щитов с целью автоматизации съема показ; ний.
Реализация результатов работы. Результаты работы использованы в хо; договорных НИР, проводимых кафедрой "Измерительно-вычислительные ко.\ плексы" Ульяновского государственного технического университета совместно АО "Электроприбор" г.Чебоксары (per. № УлГТУ 12-39/95, № г.р. 0198000649: инв. № 02980004635, per. № УлГТУ 12-33/96, № т.п. 01980006492, иыв. > 02980004634), в госбюджетных НИР по программам "Конверсия и высокие те> нологии 1994-1996г.г." (№ г.р. 01970002148, вдге.№ 02970001126), "Конверсия высокие технологии 1997-2000г.г.", раздел "Информатика, и связь", а также пр. изготовлении опытных образцов приборов и приборных щитов на АО "Электре прибор" г.Чебоксары.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуж дались на научно-технической конференции с международным участием' "Про
5 блемы промышленных электромеханических систем и перспективы их развития" (г.Ульяновск, 1996г.), на научной конффенции "Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем" (г.Пенза, 1996г.), на Всероссийской межвузовской научно-технической конференции "Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике" (г.Чебоксары, 1996г.), па межвузовском семинаре "Автоматизация ТП и производств. Точность, качество и надежность конструкций и технических систем" (г.Самара, 1997г.), на ежегодных научно-технических конференциях Ульяновского государствешгого технического университета.
Основные положении, выносимые не защиту:
-
Функции преобразования для информативной составляющей выходной емкости датчика положешія стрелки при основных конструктивных вариантах его исполнения.
-
Результаты исследования чувствительности, погрешностей емкостного датчика и обоснование форм его неподвижных электродов для повышения чувствительности и помехозащищенности.
-
Результаты выбора и обоснования измерительных схем для емкостных датчиков положения стрелки титовьгх приборов.
-
Алгоритмы обработки информации и структурные схемы сопряжения стрелочных электроизмерительных приборов с внешними устройствами для различных задач применения приборов.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ, из них 4 положительных решения о выдаче патента РФ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения списки литерат^^ы нз 110 наименований и 3 приложений содержит 166 страниц машинописного текста и 58 рисунков.
