Название: Вестник Ульяновского государственного технического университета (В.В. Ефимов)

Жанр: Гуманитарный

Просмотров: 1139


Погрешности емкостных датчиков положения стрелки электроизмерительных приборов

 

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

 

Стрелочные электроизмерительные приборы в настоящее время широ- ко используются во всех отраслях техники, а также промышленных техно- логических процессах как средства контроля и индикации значений элек- трических 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 эксплуата- ционных 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 производи- телем стрелочных электроизмерительных приборов является ОАО «Элек- троприбор», г.Чебоксары, выпускающий широкую номенклатуру аналого- вых измерительных средств в течение уже более 40 лет.

С развитием измерительной техники, в частности, цифровых средств сбора и обработки информации, к средствам измерений стали предъяв- ляться дополнительные требования. Все современные цифровые измери- тельные приборы имеют встроенные средства сопряжения со стандартны- ми интерфейсами информационных систем (RS-232, RS-485 и т.д.), допол-

нительные функциональные возможности. Принцип действия аналоговых электроизмерительных приборов не позволяет напрямую получить резуль- тат измерения в виде стандартного электрического сигнала или цифрового кода. Поэтому для обеспечения возможности сопряжения таких приборов с автоматизированными системами сбора и обработки информации необхо- димо дополнить их конструкцию соответствующими средствами преобра-

зования.

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 из- мерения входной величины) в электрический сигнал с определенным зако- ном изменения. Прибор со встроенным контролем показаний уже может быть использован в системах с автоматическим сбором измерительной ин- формации для целей контроля и управления.

Емкостный датчик положения стрелки прибора включает в себя два электрода (подвижный и неподвижный), емкость между которыми изменя- ется в зависимости от углового положения стрелки, а также измеритель-

ную схему для преобразования емкости в электрический сигнал. Разрабо-

танная конструкция ВЕД подробно рассмотрена в [1,2].

В работе [2] были разработаны несколько вариантов конструкции ВЕД, предназначенных для автоматизации решения различных контрольно- измерительных  задач  с  помощью  усовершенствованных  приборов.  При этом разрабатывались формы неподвижного электрода, а также подбира- лись измерительные схемы датчика. В частности, была предложена форма

неподвижного электрода датчика, предназначенного для автоматизации поверки стрелочных приборов. На рис.1 представлена форма неподвижно- го электрода, а также экспериментальный график зависимости выходной емкости ВЕД от входного сигнала прибора. График получен на макете, из- готовленном на базе прибора типа М42100 (предел измерения - 1мА, изго- товитель - ОАО «Электроприбор», г.Чебоксары).

 

 
С,пФ

2.71

 

 

 
2.67

 

2.63

 

2.59

 

2.55

 

I,мА

0          0.2       0.4       0.6       0.8       1.0

 

 

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

 

Исследования макета показали, что максимумы выходной емкости дат- чика соответствуют соосному расположению стрелки и радиальных слоев неподвижного электрода. Если совместить радиальные слои с поверяемы- ми 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 дол- жен быть подключен к программируемому источнику калиброванного сигнала, позволяющему отклонить стрелку до полного раствора шкалы. Устройство обработки информации (ЭВМ) управляет калибратором и при- нимает оцифрованный выходной сигнал датчика. В системе может быть реализован алгоритм поверки методом совмещения, причем момент соос- ности стрелки и поверяемой отметки шкалы определяется по максимуму выходного сигнала ВЕД.

Для оценки качества предложенного метода автоматизированной по- верки важно установить, с какой погрешностью определяется класс точно- сти 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 выход-

ную 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 нежела- тельному искажению выходной характеристики. Исследования показа- ли,  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, расстоя- ния 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 схе- мы. Однако, как правило, это не приводит к изменению пропорциональ- ного характера зависимости выходного сигнала схемы от входной емко- сти. 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 оборудова- ния 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 8080 (серия М42300 ОАО «Электропри-

бор») равна 0,21\%.

4. Нестабильность характеристик измерительной схемы. Возможна за счет временного дрейфа параметров элементов схемы (старение, переме- жающиеся отказы), который приводит к самоустраняющемуся или ста- бильному искажению ее выходной характеристики. Исследование схем, выбранных для использования в ВЕД (генераторные, мостовые), показа- ло, что изменение параметров элементов, сохраняющее пропорциональ- ность зависимости выходного сигнала схемы от входной емкости, не приводит к изменению положения максимумов на выходной характери- стике датчика и, следовательно, не влияет на его работоспособность. В противном случае можно констатировать отказ датчика.

5. Внешние воздействия. Поскольку электрическое поле между электрода- ми ВЕД распространяется в объеме перед лицевой панелью прибора и за шкалой, на выходные емкости значительное влияние оказывает распре- деления масс и внешних полей, расположенных в ближайшей окрестно- сти прибора. Эксперименты показали, что ошибки определения положе- ния стрелки рассматриваемым датчиком возможны только при резком изменении распределения масс и полей в окрестности прибора (напри- мер, при поднесении руки к лицевой панели выходной сигнал датчика изменяется на ~30\%). Поэтому при работе прибора с ВЕД следует избе- гать таких действий либо применять специальные методы защиты (на- пример, нанесение прозрачного экранирующего слоя на обратную по- верхность 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, вы-

званных изменением зазора между стрелкой и шкалой а также поворо- том стрелки вокруг своей оси. В случае удара помеха может вызвать по- явление в выходном сигнале ВЕД ложного максимума и ошибочное сра- батывание системы обработки измерительной информации. При вибра- циях 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 меха- ническими колебаниями элементов конструкции. После прекращения механических воздействий возможно изменение формы электродов дат-

чика 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 усло- виях в составе системы автоматической поверки приборов, можно учиты- вать только инструментальные погрешности их изготовления, которые со-

ставят 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 де-

сятых долей пикофарады), был разработан ряд вариантов конструкции датчиков с дифференциальной структурой неподвижного электрода, что

позволило повысить чувствительность датчика за счет использования со-

ответствующих измерительных схем. Для решения задачи дискретного оп- ределения положения стрелки при произвольном характере изменения входного сигнала прибора и с выдачей измерительной информации в виде цифрового кода была разработана форма неподвижного электрода, изо-

браженная на рис.2.

 

 

 
                  Увеличенный размер

 

Рис.2. Форма неподвижных электродов датчика

 

Неподвижный электрод состоит из пяти отдельных дугообразных сло-

ев, 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 преобразую- щая разность двух дифференциально изменяющихся емкостей в напряже- ние 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). Сигна- лы со всех измерительных схем подаются на компараторы для преобразо- вания в цифровой код, причем каждому сектору шкалы будет соответство- вать 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 характе- ристики, что, однако, не повлияет на положение точек равенства выход- ных емкостей каналов. При наклоне стрелки относительно плоскости шкалы границы секторов сместятся пропорционально углу наклона и ширине дугообразных слоев неподвижного электрода. Исследования по- казали, что при нанесении неподвижного электрода в виде пяти дугооб- разных слоев на шкалу прибора с размером наличника 160160 мм тех- нологически  допустимые  наклоны  стрелки  вызывают  максимальную приведенную погрешность 0,1\%.

2. Температурные  погрешности,  вносимые  в  выходную  характеристику датчика тепловым изменением линейных размеров электродов, не по- влияют на расположение границ секторов шкалы и могут не учитывать- ся.

3. Погрешность от неточного нанесения на шкалу неподвижного электрода

и рисунка не будет, как и в предыдущем случае, превышать 0,21\%. Од- нако, следует заметить, что реально форма неподвижного электрода, изображенная на рис.2, не обеспечивает равенство выходных емкостей каналов датчика на показанных границах секторов шкалы. Поэтому не- обходимо 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 производ- стве.

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 перио-

дически нужно проверять показания датчика и при необходимости про-

изводить 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 исклю- чено 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 систе-

матическую инструментальную погрешность с максимальным значением

0,31\%, а также возможно появление погрешностей из-за нестабильности параметров элементов измерительной схемы и влияния внешних воздейст- вий. 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 стрелки в середине шкалы. Приборы с таким

ВЕД     наиболее        универсальны,           однако

Рис.3. Форма неподвижного электрода датчика

исследование макетов приборов показало, что описанная конструкция дат- чика наиболее сильно подвержена влиянию помех и имеет высокий уро- вень погрешности.

1. Равномерное и неравномерное по длине стрелки изменение зазора меж- ду стрелкой и шкалой приводит к искажению формы выходной характе- ристики ВЕД, причем погрешность преобразования при изменении зазо-

ра 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 компен- сации погрешности от изменения зазора в процессе эксплуатации при- бора 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 градуиров-

ке 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 произво- дить подстройку коэффициента усиления и напряжения смещения вы- ходного масштабирующего усилителя.

5. Влияние внешних воздействий, а также механических нагрузок на рас- сматриваемый датчик и способы его минимизации аналогичны преды- дущей конструкции ВЕД.

Суммарная систематическая погрешность ВЕД со стандартным элек- трическим выходным сигналом может достигать 0,31\%. Влияние помех на выходную характеристику датчика можно минимизировать или компенси- ровать указанными выше способами, которые, однако, требуют дополни- тельных аппаратных затрат и не всегда эффективны. Поэтому использова- ние приборов с таким датчиком возможно только в системах, где не требу- ется 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 рас- ширение функциональных возможностей приборов с такими датчиками приводит к усложнению их конструкции и, соответственно, снижению на- дежности и точности. Поэтому при проектировании систем, использующих

такие приборы, следует выбирать оптимальные с точки зрения функцио- нальных возможностей и точности конструкции ВЕД либо применять дат- чики с неподвижными электродами, представляющими собой комбинацию рассмотренных выше. Разработка таких датчиков ведется в настоящее время на кафедре ИВК УлГТУ совместно с ОАО «Электроприбор».