4.2. 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 U(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 U(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.