Самопишущие приборы

Как и показывающие, аналоговые самопишущие приборы(СП) разделяются на электромеханические и электронные.

В электромеханических СП могут применяться различные систе­мы преобразователей электрической величины в механическую. Но чаще всего - это магнитоэлектрический измерительный механизм.

Принцип действия простейшего электромеханического (магни­тоэлектрического) СП основан (рис. 60) на взаимодействии под­вижной катушки (рамки) 3 с током (пропорциональным исследу­емому сигналу) с полем постоянного магнита 1.

Рис. 60. Упрощенное устройство электромеханического СП:

1- постоянным магнит; 2 - ось; 3 - катушка; 4 - перо; 5 - двигатель;

6 -бумага; 7 - стрелка; 8 - шкала

Движение - поворот на угол α(t) - катушки 3, закрепленной на оси 2, передается отсчетному устройству (ОУ), состоящему из стрелки 7 и шкалы 8,а также регистрирующему устройству (РУ) образованному пером 4 и движущейся бумагой 6. Развертка во вре­мени осуществляется равномерным перемещением диаграммной бумаги 6, благодаря вращению вала двигателя 5.

Обобщенная структура электромеханического СП показана
на рис. 61, а. Входной сигнал X(t) поступает в измерительную
цепь ИЦ, в которой осуществляются вспомогательные преобразования (масштабирование сигналов, преобразование различных
величин в ток), и далее, обычно в виде тока i(t), на измери­тельный механизм ИМ. Выходная величина ИМ - угол поворота α(t) - определяет показания ОУ и положение пишущего органа (пера) РУ.

Все достоинства обычного магнитоэлектрического механизма сохраняются в СП, но, вследствие большего необходимого вра­щающего момента (причина - заметное трение пишущего органа о бумагу), потребляется большая мощность от источника исследу­емого сигнала.

Типичные значения классов точности электромеха­нических СП 0,5...2,5 %. Полоса частот регистрируемых сигналов узкая - 0...5 Гц.

Рис. 61. Обобщенные структуры электромеханического (а) и электронного (б) СП

Электронные СП отличаются от электромеханических как по структуре (рис. 61, б),так и по конструкции. Классический маг­нитоэлектрический измерительный механизм заменен реверсив­ным двигателем, в схеме присутствуют различные аналоговые из­мерительные преобразователи (например, усилители, преобразо­ватели переменного напряжения в постоянное и др.).

Развертка во времени выполняется так же, как и в электроме­ханических СП, т.е. дополнительным двигателем, равномерно пе­ремещающим бумагу.

В основу работы электронных СП положен принцип уравнове­шивающего (компенсирующего) преобразования, в соответствии с которым электромеханическая отрицательная обратная связь (ОС) обеспечивает уравновешивание входного сигнала, например на­пряжения U_Y (t),меняющимся компенсирующим напряжением U_к(t).

Разница DU(t)входного U_Y (t)и компенсирующего U_к(t)сиг­налов поступает на усилитель Ус, выходное напряжение которого управляет реверсивным двигателем РД. Образованный угол пово­рота α(t) определяет показания ОУ и РУ. Компенсирующее напря­жение U_к(t)формируется узлом ОС и меняется таким образом, что уменьшает разницу потенциалов DU(t) на входе усилителя до минимального, различаемого усилителем, значения.

Узел ОС может быть реализован, например реохордом, движок которого перемещается валом РД. Формируемое при этом компен­сирующее напряжение U_к(t) уравновешивает входное напряжение U_Y (t), которое определяет положение стрелки ОУ и пера РУ по оси ординат Y .

Качество уравновешивания и, следовательно, метрологические (статические) характеристики в большей мере определяются уси­лителем Ус и узлом отрицательной обратной связи. Динамика элек­тронных СП характеризуется верхними частотами исследуемых сиг­налов до значений 0,5...2 Гц.

Существует большой класс СП, содержащих преобразователи входных периодических напряжений и токов в постоянные значе­ния (часто - в средние квадратические). Не следует путать частот­ные свойства входных преобразователей таких СП (обычно - до единиц - десятков килогерц) с динамическими возможностями собственно механизма (обычно — единицы герц).

Англоязычные термины этого класса регистраторов: Recorder, Paper Recorder, Y - T Recorder.

В некоторых моделях СП применяется термическая (тепловая) регистрация. При этом РУ представляет собой нагретый стержень (тепловое перо), который, перемещаясь, воздействует на термо­чувствительный носитель (термобумагу), оставляя видимый след.

Быстродействующие самопишущие приборы(БСП) в отличие от обычных СП, имеют более высокое быстродействие. Недоста­точно хорошая динамика обычных СП заставила искать конструктивные и технологические решения, обеспечивающие более широкую полосу частот. В основе этих решений лежат использование увеличенного противодействующего момента и сознательное уменьшение размаха (амплитуды) колебаний подвижной части. Диапа­зоны частот исследуемых сигналов в БСП 0... 150 Гц. Существует разновидность БСП, основанная на струйной записи (отклонение меняющимся электрическим полем заряженной струи краски). Такие приборы обеспечивают еще более высокие динамические ха­рактеристики (до 2 кГц), благодаря меньшей, чем в механической системе, массе подвижной части (струи). Однако из-за своей сложной конструкции и специфики обслуживания они распространены не так широко.

Двухкоординатные самопишущие приборы (ДСП) предназначе­ны в основном для построения функциональных зависимостей меняющихся сигналов X(t)и Y(t). Такой прибор может выступать в роли характериографа, инструмента для построения, например, зависимости вход - выход различных четырехполюсников.

Рис. 62. Конструкция двухкоординатного самопишущего прибора: 1- каретка; 2 - рейка; 3 - реверсивный двигатель оси Y; 4 -реверсивный двигатель оси X; 5 - бумага; 6 - перо

Конструкция ДСП (рис. 68) обеспечивает перемещение пера не­зависимо по двум координатам (Y и X). Каретка 1, на которой закреп­лено перо (фломастер, стеклянный капилляр, карандаш и т.п.) 6, благодаря реверсивному двигателю 3 и нерастяжимой нити, движется по рейке 2. Это определяет положение пера по оси ординат (оси Y). Рейка 2 с расположенной на ней кареткой 1 может пере­мещаться параллельно-поступательно при вращении вала второго реверсивного двигателя 4,что определяет положение пера по оси абсцисс (оси X). Лист бумаги 5 в этой конструкции неподвижен и по окончании регистрации несет двухкоординатное изображение. Структура ДСП содержит два обычно идентичных канала уравновешивающего преобразования Y(t)и Х(t),которые обеспечивают отклонения, соответственно, по осям ординат и абсцисс.

Динамические характеристики ДСП аналогичны характери­стикам электронных СП.

Существует разновидность конструкции ДСП, в которой по одной из осей перемещается лист бумаги. При этом рейка 2 с закрепленным на ней реверсивным дви­гателем 3 неподвижна. По рейке перемещается каретка 1 с пером 6 (как и в предыдущем варианте), что определяет положение пера по оси Y , а положение пера относительно листа бумаги по оси X определяется перемещением собственно листа 5. Эту функцию выполняют реверсивный двига­тель 4 и прижимные ролики. Окончательный результат регист­рации тот же - двухкоординатное изображение (Y - X). Некоторое преимущество подобной конструкции заключается в меньшей механической инерционности тракта X, поскольку масса переме­щаемого листа бумаги меньше суммарной массы рейки, за­крепленного на ней двигателя и каретки с пером.

Двухкоординатный самопишущий прибор может быть ис­пользован и в режиме обычного СП (режим Y - Т). Для этого вместо канала (обычно сменного блока) X(t)используется канал (сменный блок) развертывающего линейно изменяющегося на­пряжения.

Существуют устройства, внешне похожие на ДСП, так называ­емые плоттеры (Plotters), входными сигналами для которых слу­жат цифровые (логические) сигналы. Плоттер не является в пол­ном смысле измерительным прибором, а выступает обычно в ка­честве периферийного устройства графического вывода для средств вычислительной техники.

В настоящее время широко распространен еще один самостоя­тельный класс приборов, которые могут выдавать результат реги­страции в виде диаграммы сигнала на бумаге - цифровые измери­тельные регистраторы (Transient Memory Recorder, ADC Recorder). Но внутреннее содержание таких приборов совершенно другое. Ос­новными узлами их являются аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и достаточно большого объема запоминающее устройство. Полоса частот исследуемых сигналов у таких регистраторов опреде­ляется быстродействием АЦП и значительно шире (может достигать единиц - десятков мегагерц). Зарегистрированный массив кодов за­тем преобразуется в графический образ входного сигнала на бумаге.