Politechnika Wrocławska we wrocławiu

Instytut Metrologii Elektrycznej

Adam Janik

Rejestracja przebiegów elektrycznych.

Rejestratory elektryczne i elektroniczne.

Pod kierunkiem:

doc. dr inż. Andrzeja Zboruckiego

Wrocław, ©1998

WPROWADZENIE.

PODZIAŁ.

Przyrządy rejestrujące są to narzędzia pomiarowe umożliwiające zapis zmian wartości wielkości mierzonej w funkcji innej wielkości - najczęściej czasu.

Podobnie jak mierniki, również przyrządy rejestrujące można podzielić na analogowe i cyfrowe. W przyrządach analogowych przebieg zmian wielkości mierzonej jest zapisywany w postaci linii lub punktów na taśmie papierowej lub ekranie lampy oscyloskopowej. Cyfrowe przyrządy rejestrujące zapisują wartości mierzone w postaci alfanumerycznej (cyfry, litery i inne znaki). Zapisu dokonuje drukarka elektryczna współpracujące z przetwornikiem analogowo-cyfrowym (najczęściej z woltomierzem lub częstościomierzem cyfrowym).

Wybór rodzaju przyrządu rejestrującego zależy przede wszystkim od szybkości zmian wielkości rejestrowanej. Istotnym parametrem rejestratorów jest więc ich zakres częstotliwościowy. Z tego względu można je podzielić na:

• rejestratory elektromechaniczne o przetwarzaniu bezpośrednim i pośrednim;

• rejestratory z taśmą magnetyczną;

• oscyloskopy małej i wielkiej częstotliwości;

• oscyloskopy próbkujące.

Rejestrację wyników pomiarów stosuje się, gdy:

• wartość wielkości badanej zmienia się szybko;

• zachodzi potrzeba jednoczesnego pomiaru wartości dużej liczby wielkości zmiennych w czasie;

• konieczne jest samoczynne sporządzenie dokumentu (zapisu) przedstawiającego wartość jednej lub kilku wielkości jako jednej funkcji innej wielkości, najczęściej czasu;

• proces pomiarowy jest całkowicie zautomatyzowany.

Rejestratory najczęściej umożliwiają zapis wielkości kontrolowanej w funkcji czasu. Niekiedy konieczny jest zapis zależności funkcyjnej między dwoma wielkościami (np. do wyznaczanie charakterystyk prądowo-napięciowych). Przyrządy służące do tego celu noszą nazwę rejestratorów X-Y.

Inny podział przyrządów rejestrujących uwzględnia ich główne cechy konstrukcyjne. I tak, rozróżnia się rejestratory mechaniczne, elektromechaniczne, elektromagnetyczne i elektroniczne.

Kryteriami podziału mogą być również takie parametry rejestratorów jak szybkość zapisu, dokładność, rodzaj zapisu itp.

Metoda zapisu określa sposób oddziaływania urządzenia zapisującego na nośnik zapisu. Istnieje wiele metod zapisu. W rejestratorach działających wolno stosuje się najczęściej nanoszenie tuszu na taśmę papierową za pomocą pisaka w postaci pióra lub pisaka strumieniowego piszącego cienkim strumienie tuszu wytryskującego z kapilary pod dużym ciśnieniem. Spotyka się też zapis elektrotermiczny, w którym podgrzany pisak wytapia warstwę wosku pokrywającego nośnik i odsłania czarne podłoże.

Do rejestracji przebiegów szybkich wykorzystuje się najczęściej oddziaływanie wskazówki świetlnej na materiały fotograficzne. Miernik wskazówkowy pozwala na pomiar (i ewentualny zapis wyniku) wartości zmieniającej się bardzo wolno, np. w odstępach co 3 s ( f < 10⁰ Hz). Pisak w postaci pióra atramentowego potrafi zarejestrować przebiegi o częstotliwości nie większej niż 100 Hz, zaś pióra strumieniowe nie dotykające papieru, może zapisać przebiegi o częstotliwości sięgającej 1000 Hz. Przy zapisie wielkości zmieniającej się z większą częstotliwością, stosuje się już tylko układy o bardzo małej bezwładności, zapisujące za pomocą wiązki światła lub strumienia elektronów.

Przydatność elektromechanicznego przetwornika wielkości elektrycznych X na odchylenie urządzenia rejestrującego (pisaka) Y (lub innego przetwornika, np. wielkości mechanicznych na elektryczne), do przetwarzania wielkości zmieniających się w czasie, jest zależna od jego właściwości dynamicznych. Właściwości te określa się doświadczalnie przez wprowadzenie na wejście wielkości zmieniającej się w sposób ściśle określony, tzw. sygnał standardowy i obserwując sygnał wyjściowy (odpowiedź) np. w postaci zapisu na wykresówce. Najczęściej stosowane sygnały standardowe mają postać:

• skoku wielkości wejściowej,

• skoku prędkości,

• impulsu,

• przebiegu sinusoidalnego.

Skok wielkości wejściowej otrzymuje się przez nagłą zmianę jej wartości o x, przy czym wartość początkowa x₀ może być równa zeru lub może być ustaloną wartością różną od zera.

Skokiem prędkości nazywa się przebieg, przy którym wartość wielkości wejściowej zmienia się liniowo w funkcji czasu x = kt.

Impuls to krótkotrwałe działanie wielkości wejściowej o czasie działania tak małym, że w czasie impulsu organ ruchomy przetwornika pozostaje w spoczynku, zatem wielkość wyjściowa nie ulega zmianom.

Sygnały standardowe w postaci skoku wielkości, skoku prędkości i impulsu służą do wyznaczania wielkości dynamicznych przetworników jako funkcji czasu. Natomiast za pomocą sygnałów sinusoidalnych o różnej pulsacji określa się te własności w funkcji częstotliwości.

Zmiany wielkości wyjściowej odpowiadające sygnałom standardowym na wejściu nazywa się odpowiedzią przetwornika. Odpowiedź skokowa ma miejsce w przypadku skokowej zmiany wielkości wejściowej; odpowiedź na skok prędkości - w przypadku liniowej zmiany wielkości wejściowej; odpowiedź impulsowa - w przypadku impulsu na wejściu, a odpowiedź harmoniczna - w przypadku sinusoidalnej zmiany wielkości wejściowej. Odpowiedzi zależą od pewnych stałych właściwości przetwornika, określanych za pomocą takich parametrów charakterystycznych jak: stała czasowa, pulsacja naturalna, tłumienie i czas odpowiedzi.

Stała czasowa T_c charakteryzuje właściwości dynamiczne przetworników, które mają zdolność magazynowania energii tylko w jednej postaci (kinetycznej, potencjalnej, cieplnej lub elektrycznej). Właściwość taką mają układy elektryczne zawierające rezystancję i pojemność (RC) lub rezystancję i indukcyjność (RL), a także np. prosty termometr bez osłony. Takie właściwości miałby również galwanometr magnetoelektryczny o organie ruchomym pozbawionym bezwładności. Stałą czasową wyznacza się na podstawie odpowiedzi skokowej. Nie można jej stosować do scharakteryzowania odpowiedzi oscylacyjnej.

Pulsacja naturalna (własna) _o i tłumienie względne h określają właściwości dynamiczne przetworników mogących magazynować energię w dwóch postaciach. Do takich należą np. układy elektryczne zawierające pojemność i indukcyjność, które gromadzą energię pola elektrycznego (w kondensatorze) i energię pola magnetycznego (w cewce), a także galwanometr magnetoelektryczny gromadzący energię kinetyczną w elementach ruchomych i energię potencjalną w napiętej sprężynie zwrotnej. Pulsacja naturalna określa zdolność do przetwarzania przebiegów szybkozmiennych; im większa jest jej wartość, tym większa jest pulsacja przebiegów prawidłowo przenoszonych. Tłumienie względne h określa charakter odpowiedzi. Gdy tłumienie jest równe lub większe od tłumienia krytycznego (h ≥ 1) występuje odpowiedź aperiodyczna. W przypadku gdy h < 1 pojawiają się odpowiedzi oscylacyjne.

Czas odpowiedzi przetwornika t_u to czas, po upływie którego odpowiedź skokowa różni się mniej od wartości końcowej niż wynosi zadana liczba e. Mały czas odpowiedzi wskazuje, że czujnik nadaje się do pomiarów wielkości zmieniających się szybko. Zwykle przyjmuje się wartość e równą 5% lub 10% końcowej wartości odpowiedzi i mówi się o 5-procentowym lub 10-procentowym czasie odpowiedzi.

Charakterystyki częstotliwościowe przedstawiają właściwości dynamiczne przetworników przy sinusoidalnym sygnale wejściowym. Wyznacza się je w stanie ustalonym po wprowadzeniu na wejście przebiegu sinusoidalnie zmiennego o nastawianych wartościach pulsacji .

Charakterystyka częstotliwościowo-amplitudowa określa stosunek Y_m/X_m amplitudy przebiegu wyjściowego do amplitudy przebiegu wejściowego, dla różnych wartości pulsacji. Zwykle stosunek ten wyraża się w decybelach. Pożądany jest płaski przebieg charakterystyki przetworników w możliwie najszerszym zakresie pulsacji.

Charakterystyka częstotliwościowo-fazowa określa przesunięcie fazowe  między sinusoidalnym przebiegiem wielkości wejściowej i sinusoidalnym przebiegiem wielkości wyjściowej. Korzystny jest liniowy przebieg tej charakterystyki, odpowiadający równaniu

 = k

Pulsacja graniczna _g, wartość pulsacji określona na podstawie charakterystyk częstotliwościowych, poniżej której wartości charakterystyki amplitudowej nie odchylają się od wartości charakterystyki przy  = 0, więcej niż wynosi przyjęta wartość dopuszczalna _d. Przyjmuje się zwykle jako dopuszczalne granice odchyłek wartości wynoszące 10% lub 30% (3 dB), wartości początkowej (przy  = 0).

JEDNOSTKI FUNKCJONALE REJESTRATORÓW.

Mimo, ze poszczególne typy rejestratorów zasadniczo różnią się, zarówno co do sposobu działania, jak i rozwiązania konstrukcyjnego, zawierają jednak zawsze cztery następujące charakterystyczne jednostki funkcjonale:

1. Przetwornik pomiarowy, przetwarzający wielkość wejściową w odpowiednie odchylenie organu ruchomego. Jednostką tą może być np. w rejestratorach o przetwarzaniu bezpośrednim - ustrój magnetoelektryczny, elektromagnetyczny, ferrodynamiczny itp.; w rejestratorach o przetwarzaniu pośrednim - układ kompensacyjny ze wzmacniaczem i silnikiem nadążnym; w rejestratorach z taśmą magnetyczną - elektromagnetyczna głowica zapisująca.

2. Urządzenie zapisujące, które w połączeniu z przetwornikiem rejestruje w nośniku zapisu niewidoczne (np. zapis na taśmie magnetycznej) lub częściej widoczne znaki w postaci linii, punktów albo symboli graficznych. Podzespołem tym może być m.in. pióro, rysik, kółko drukujące, głowica elektromagnetyczna itp.

3. Nośnik zapisu, tj. materiał, na którym rejestruje się wartości mierzone. Najpowszechniej stosowanym nośnikiem jest papier różnych gatunków z rozmaitymi oznaczeniami, zawartymi zwykle w normach państwowych. Nośnik ma najczęściej postać krążka albo taśmy nawijanej na walec lub prowadzonej na płaskiej prowadnicy.

4. Urządzenie napędowe, wprowadzające w ruch nośnik zapisu. Ponieważ przesunięcie nośnika zapisu jest najczęściej funkcją czasu, zatem urządzenie napędowe powinno zapewniać ruch równomierny. Urządzenie napędowe jest więc swego rodzaju mechanizmem zegarowym zapewniającym żądaną prędkość i dokładność czasu rejestrowanego. Najczęściej jest stosowany napęd elektryczny za pomocą silnika synchronicznego, silnika prądu stałego lub silnika skokowego. Jeżeli istnieją trudności z doprowadzeniem do rejestratora napięcia sieciowego (np. w rejestratorach przeciwwybuchowych), to stosuje się napęd sprężynowy nośnika zapisu. Napęd ten jest podobny do urządzenia napędowego zegara. Energia magazynowana przez nakręcenie spiralnej sprężyny napędowej jest wyzyskiwana do przesuwu taśmy rejestracyjnej lub obrotu tarczy. Wychwytowy regulator biegu zapewnia mu stała prędkość przesuwu, niezależną od stopnia nakręcenia sprężyny. Urządzenia napędowego wprawiającego w ruch nośnik zapisu są zwykle pozbawione rejestratory XY. W rejestratorach tych jest tylko pulpit do mocowania nośnika zapisu.

Oprócz wymienionych, w przyrządach rejestrujących mogą znajdować się również inne jednostki funkcjonale takie jak: wzmacniacze pomiarowe, demodulatory i zasilacze oraz układy współpracujące z przetwornikami wejściowymi przetwarzającymi mierzone wielkości nieelektryczne na sygnał elektryczny.

RODZAJE ZAPISU I METODY REJESTRACJI.

Stosowane w praktyce rejestratory są przystosowane do prędkości rejestracji zawartych w przedziale od ułamków mm/s do dziesiątek tysięcy m/s. Tak duży zakres prędkości wymaga stosowania różnych rodzajów zapisu i różnych metod rejestracji.

Ze względu na rodzaj zapisu rozróżnia się rejestrację ciągłą i punktową. Przy zapisie ciągłym urządzenie zapisujące stale odtwarza na nośniku zapisu ruchy organu ruchomego. Zapis punktowy, zwany też przerywanym, polega na rejestrowaniu tylko niektórych położeń organu ruchomego w określonych chwilach. Informacja o przebiegu wielkości mierzonej nie jest jednak w tym przypadku pełna i dlatego odstęp między chwilami zapisu wybiera się z uwzględnieniem wymaganej dokładności rejestracji i przewidywanej szybkości zmian wielkości mierzonej.

Zapis punktowy umożliwia budowę rejestratorów wielomiejscowych. Rejestratory wielomiejscowe o jednym przetworniku pomiarowym służą do rejestracji kilku wielkości lub jednej w kilku miejscach obiektu. Kolejne obwody pomiarowe są dołączone do przetwornika przez przełącznik napędzany synchronicznie z mechanizmem uruchamiającym urządzenie zapisujące. Punkty odpowiadające kolejnym obwodom pomiarowym są rozróżniane za pomocą kolorów, znaków graficznych lub cyfr.

Wszystkie znane obecnie metody rejestracji można podzielić na trzy grupy. Do pierwszej grupy należą metody polegające na nałożeniu warstwy jakiejś substancji na nośnik, do grupy drugiej - metody polegające na zdjęciu warstwy substancji nośnika, a do grupy trzeciej - metody polegające na zmianie stanu substancji nośnika.

Do grupy pierwszej są zaliczane metody zapisu ołówkiem, piórem i atramentem, długopisem oraz drukiem.

Najbardziej rozpowszechnioną metodą z tej grupy jest zapis atramentem na taśmie lub krążku papierowym. Atrament nanoszą na papier pióra kapilarne połączone sztywno lub swobodnie ze zbiornikiem atramentu. Wadami tej metody są m.in.: zasychanie atramentu w piórze i wysączanie się jego w przypadku zatrzymania taśmy. Wad tych nie mają urządzenia zapisujące, w których atrament o dużej lepkości jest doprowadzany do pióra pod ciśnieniem. W tych rozwiązaniach konstrukcyjnych lepkość atramentu i ciśnienie są tak dobrane, że zapobiegają wysychaniu i wysączaniu atramentu. W przypadku zatrzymania taśmy siła nacisku pióra na papier powoduje uszczelnienie jego kapilary w ten sposób, że atrament nie wypływa.

Opisana metoda jest stosowana przy małych prędkościach posuwu taśmy (nie większych niż 1 m/s). Przy większych prędkościach stosuje się pióra bezstykowe, z których atrament wytryskuje z dyszy pod ciśnieniem. Nie istnieje w tym przypadku siła tarcia pióra o papier, ani nie jest konieczna siła nacisku, ale organ ruchomy musi pokonać pewien moment niezbędny do sterowania dyszą. Metodę tę stosuje się w rejestratorach wysokiej jakości, np. w rejestratorach do celów medycznych.

Przy rejestracji punktowej najbardziej rozpowszechniony jest zapis za pomocą taśm barwiących. Bijak wykonuje okresowe ruchy w kierunku pionowym. W chwili, gdy przy ruchu ku dołowi osiągnie on wskazówkę, powoduje nieznaczne jej ugięcie, a następnie przyciśnięcie przez taśmę barwiącą do papieru, na którym zostaje odciśnięty barwny punkt. W rejestratorach wielomiejscowych jest kilka taśm barwiących o różnych kolorach, które w odpowiednich odstępach czasu kolejno przesuwają się pod bijak.

Do grupy drugiej metod rejestracji zalicza się zapis na taśmach pokrytych warstwą kryjącą. Zasada tego rodzaju zapisu polega na zdejmowaniu warstwy kryjącej z powierzchni taśmy w miejscach, po których przemieszcza się urządzenie zapisujące. W zależności od sposobu zdejmowania tej warstwy, rejestratory mogą być wyposażone w pisaki mechaniczne, termiczne lub elektryczne.

Na taśmie papieru pokrytej powłoką lakieru o grubości 1 m znajduje się naparowana próżniowo warstwa kadmu o grubości od 0,1 do 0,2 m. Podczas rejestracji, między warstwą metaliczną a wolframowym kolcem pisaka powstaje łuk elektryczny, który powoduje odparowanie kadmu. Na taśmie powstaje widoczny ślad.

Do trzeciej grupy metod rejestracji zaliczyć można metody: elektroiskrową, elektrochemiczną, fotograficzną i magnetyczną.

Metoda elektroiskrowa należy do najstarszych elektrycznych metod rejestracji. Nośnikiem jest cienki papier nasycony parafiną, a urządzeniem zapisującym - dwie elektrody. Zapis może nastąpić w wyniku elektrycznego przebicia papieru umieszczonego między elektrodami albo warstwy powietrza między dwiema elektrodami umieszczonymi po tej samej stronie papieru w jego bezpośrednim sąsiedztwie. W pierwszym przypadku otrzymuje się na papierze otwór przelotowy z nadpalonym obrzeżem. W drugim przypadku nośnik zostaje zdeformowany, a na jego powierzchni zjawia się brązowy ślad spalenizny.

Podobnie działają urządzenia zapisujące metodą elektrochemiczną, z tym, że nośnikiem jest papier nasycony elektrolitem o odpowiednim składzie chemicznym. Na skutek przepływu prądu między elektrodami w elektrolicie następuje reakcja chemiczna, w wyniku której na papierze pozostaje kontrastowy zapis.

Do bardzo rozpowszechnionych metod rejestracji należy zaliczyć zapis na materiale światłoczułym wiązką promieni świetlnych elektronowych lub radioaktywnych. Główną zaletą tej metody jest wyeliminowanie tarcia między urządzeniem zapisującym a nośnikiem. Metoda ta umożliwia zapis z prędkością do 100 m/s, a w szczególnych przypadkach do 500 m/s. Przy takiej metodzie rejestracji stosuje się materiały czułe na światło widzialne oraz materiały czułe na promieniowanie ultrafioletowe. Materiał czuły na promienie ultrafioletowe jest znacznie wygodniejszy w użyciu niż materiał czuły na światło widzialne, gdyż nie wymaga dodatkowej obróbki chemicznej w celu uwidocznienia zapisu.

Pewną odmianą tej metody jest zapis odchyloną wiązką elektronów na ekranie pokrytym luminoforem. Zapis tego typu stosowany jest w oscyloskopach.

Wśród metod rejestracji bardzo ważną rolę spełnia zapis na taśmie magnetycznej. Rejestratory tego typu umożliwiają rejestrację prądów i napięć w szerokim zakresie częstotliwości (od zera do 10 MHz) i z tego względu coraz powszechniej stosuje się je w technice pomiarowej. Używane są jako urządzenia peryferyjne, a niekiedy jako części składowe elektronicznych maszyn cyfrowych. Mogą pracować jako ekspandery i kompresory skali czasu - badany sygnał może być zapisany z inną prędkością a z inną odtwarzany, wskutek czego skala czasu zostaje rozciągnięta lub skurczona. Stosowane są w wielokanałowej technice rejestracji do analizy koincydencji różnych zjawisk. Umożliwiają zapis w postaci analogowej lub cyfrowej.

Zapis jest dokonywany na taśmie (najczęściej z acetynocelulozy) pokrytej warstwą emulsji ferromagnetycznej, składającej się z ziaren tlenków żelaza oraz łączącego je lepiszcza. Właściwości magnetyczne taśmy określają: pozostałość magnetyczna (B_r = 0,04T - 0,25T) i koercja (H_c > 12 kA/m). Stosunek koercji do pozostałości magnetycznej określa tzw. trwałość rejestracji - parametr charakteryzujący właściwości rejestracyjne taśmy. Zapis może być przeprowadzony na całej szerokości taśmy lub tylko na jej części. W celu lepszego wykorzystania taśmy albo ze względu na potrzebę zapisu synchronicznego, np. przy analizie przebiegów jednoczesnych, często jest stosowany zapis dwu- lub wielościeżkowy.

Rejestracja magnetyczna polega na magnesowaniu taśmy przez elektromagnetyczną głowicę zapisującą. Przez uzwojenie głowicy płynie prąd mierzony. Pole magnetyczne głowicy oddziaływując na elementy ferromagnetyczne przesuwającej się taśmy zmienia, proporcjonalnie do wartości rejestrowanego prądu, wartości ich pozostałości magnetycznych Br. Stosowane są różne metody zapisu magnetycznego. Najprostszą metodą jest rejestracja bezpośrednia z podkładem prądu wielkiej częstotliwości. Mierzony sygnał I_x - po wzmocnieniu we wzmacniaczu - jest doprowadzony do układu sumującego. W układzie tym następuje sumowanie (modulacja) wzmocnionego prądu mierzonego z prądem podkładu. Źródłem prądu podkładu jest generator w.cz. Amplituda prądu podkładu jest kilkakrotnie większa od amplitudy sygnału mierzonego, zaś jego częstotliwość f₀ trzy do pięciokrotnie większa od największej częstotliwości sygnału rejestrowanego (dla rejestratorów do zapisu dźwięku f₀ = 30 - 150 kHz). Uformowany sygnał z układu sumującego jest podawany na uzwojenie głowicy zapisującej.

Przy prądzie rejestrowanym równym zero, a więc w czasie t₁, na taśmę działa tylko symetryczne pole magnetyczne wielkiej częstotliwości, wytworzone w szczelinie głowicy zapisującej, ścierając dodatkowo poprzednie zapisu. W czasie t₂, gdy prąd rejestrowany moduluje prądu podkładu, przy odpowiednim doborze wartości amplitud natężenia pola, magnesowanie taśmy jest dokonywana wzdłuż prostoliniowych odcinków pierwotnej krzywej magnesowania.

Do odczytu zarejestrowanego przebiegu służy głowica odtwarzająca. Napięcie zaindukowane w jej uzwojeniu poprzez wzmacniacz o odpowiednio ukształtowanej charakterystyce przetwarzania i układ dopasowujący jest podawane do układu odczytującego (np. oscyloskopu). Dolna częstotliwość graniczna tej metody zapisu magnetycznego zależy od poziomu szumów powstających w układzie elektronicznym wynosi 50 - 100 Hz. Górna częstotliwość graniczna wynosząca ok. 1,5 MHz jest ograniczona szerokością szczeliny roboczej głowicy. Dokładność zapisu tą metodą nie jest duża (błąd wynosi 2 - 3%).

Głowice zapisująca i odczytująca nie różnią się zbytnio pod względem konstrukcji. Rdzeń magnetyczny wykonany z blach permalojowych o dużej przenikalności magnetycznej i rezystywności ma dwie szczeliny: roboczą i pomocniczą. Szczelina robocza znajduje się pomiędzy starannie oszlifowanymi nabiegunnikowi. Jej szerokość wynosi 2 - 30 m. Aby zapewnić szczelinie stałość wymiarów i nie dopuścić do jej stałość wymiarów i nie dopuścić do jej zanieczyszczenia, między nabiegunnikami jest wstawiona płytka ze stopu niemagnetycznego. Druga ze szczelin - pomocnicza - służy do zmniejszenia indukcji magnetycznej, która powinna być 10 do 20 razy mniejsza od indukcji nasycenia materiału rdzenia. Szerokość jej wynosi 400 - 500 m. Szczelina ta występuje tylko w głowicach zapisujących. Uzwojenie głowic jest wykonane w postaci dwu jednowarstwowych cewek połączonych szeregowo. Celem eliminacji wpływu zewnętrznych pól magnetycznych całość jest ekranowana.

Inną metodą zapisu magnetycznego jest rejestracja z modulacją częstotliwości. Umożliwia ona rejestrację sygnałów o bardzo małych częstotliwościach (dolna granica częstotliwościowa f_d = 0 Hz) z błędem nie przekraczającym 1%.

Mierzone napięcie, wzmocnione przez wzmacniacz prądu stałego, jest przetwarzane za pomocą przetwornika napięcie - częstotliwość na odpowiadające jego wartościom zmiany częstotliwości. Uformowany w ten sposób sygnał poprzez wzmacniacz zapisu jest podawany na uzwojenie głowicy zapisującej i rejestrowany na przesuwającej się taśmie. Napięcie odczytane przez głowicę odtwarzającą, wzmocnione we wzmacniaczu, steruje pracą multiwibratora monostabilnego wytwarzającego ciąg impulsów o stałej amplitudzie i szerokości oraz częstotliwości równej częstotliwości odczytywanego sygnału. Filtr dolnoprzepustowy uśrednia przebieg impulsowy, odfiltrowując jednocześnie składowe większych częstotliwości nie należących do sygnału rejestrowanego. Na wyjściu znajduje się układ dopasowujący, umożliwiający współpracę rejestratora z urządzeniem odczytującym - oscyloskopem, oscylografem lub monitorem ekranowym. Rejestratory z modulacją częstotliwości są czułe na równomierność przesuwu nośnika zapisu (taśmy). Nierównomierność przesuwu powoduje występowanie dodatkowych modulacji częstotliwości, co prowadzi do zniekształceń przebiegu rejestrowanego.

Coraz powszechniej stosowaną metodą zapisu magnetycznego, szczególnie przydatną w przypadku komputerów, jest rejestracja cyfrowa. W rejestratorach z zapisem cyfrowym mierzony sygnał jest kwantowany, a następnie kodowany w systemie dwójkowym (sygnały „1” lub „0”). Odtworzenie tego zapisu jest przeprowadzane przy użyciu sygnałów taktujących, otrzymywanych z zegara. Rejestracja cyfrowa umożliwia zapis przebiegów wielkości z błędem 0,01 - 0,1%.

UKŁADY RÓŻNOWAŻENIA.

Głównymi elementami układu równoważenia w rejestratorach o przetwarzaniu pośrednim są: silnik nadążny i opornik nastawny.

Silnikiem nadążnym jest najczęściej dwufazowy silnik indukcyjny klatkowy. Osie uzwojeń stojana tego silnika są przesunięte względem siebie o kąt 90 stopni. Jedno z uzwojeń - uzwojenie wzbudzania jest zasilane napięciem o stałej amplitudzie. Drugie uzwojenie - jest zasilane napięciem sterującym o amplitudzie regulowanej. Napięcia te są przesunięte w fazie o 90 stopni. Strumienie uzwojeń dodając się do siebie tworzą wirujące pole magnetyczne, pod wpływem którego obraca się wirnik silnika. Niezbędne przesunięcie fazowe napięcia wzbudzającego względem napięcia sterującego uzyskuje się przez włączenie kondensatora w obwód fazy wzbudzającej. Przy zmianie fazy napięcia sterującego o 180 stopni następuje zmiana kierunku obrotów silnika, bo zmienia się kierunek wirowania pola magnetycznego.

W rejestratorach, w których jest wymagany mały moment bezwładności (o szerszym zakresie częstotliwościowym), stosuje się dwufazowe silniki indukcyjne o wirniku kubkowym, zwane silnikami Ferrarisa. Wirnik takiego silnika (wykonany z aluminium) ma kształt kubka osadzonego na osi. Grubość ścianki wirnika kubkowego wynosi od 0,2 mm do 1 mm - w zależności od mocy silnika. W najnowszych konstrukcjach rejestratorów stosuje się silniki prądu stałego z magnesami trwałymi.

Elementem biorącym udział w porównaniu wielkości mierzonej z wielkością odniesienia jest opornik nastawny. Opornik ten jest więc elementem, który ma decydujący wpływ na dokładność i niezawodność pracy rejestratora.

Najważniejszym parametrem charakteryzującym jakość takiego opornika jest liniowość. Ponadto powinien on charakteryzować się dużą trwałością, niezawodnością, stabilnością nastawienia, minimalnymi szumami i małym napięciem termoelektrycznym powstającym między materiałem rezystancyjnym a stykiem ślizgowym.

Najczęściej oporniki nastawne są w postaci potencjometru z drutu rezystancyjnego (manganu, konstantanu itp.), nawiniętego na walcowym korpusie. W niektórych rejestratorach opornikami nastawnymi są oporniki śrubowe wieloobrotowe. W opornikach tego typu walcowy korpus, na który nawija się przewód rezystancyjny, jest uformowany w postaci linii śrubowej - najczęściej dziesięciozwojowej. Styk ślizgowy, napędzany pośrednio przez wałek, może przesuwać się również w kierunku osiowym opornika.

UKŁADY REGULACJI DYNAMIKI.

Zmiana wartości wejściowej rejestratora powoduje pojawienie się sygnału równowagi uruchamiającego silnik nadążny i urządzenie zapisujące. Ponieważ silnik i urządzenie zapisujące mają określoną bezładność, stan równowagi nie będzie więc osiągnięty natychmiast, lecz po pewnym czasie. Zapas energii kinetycznej, zgromadzonej w elementach znajdujących się w ruchu, powoduje drgania organu ruchomego wokół punktu równowagi. Czas, po którym drgania te praktycznie zanikają, tzw. czas ustalania jest jedną z wielkości charakteryzujących właściwości dynamiczne rejestratorów o przetwarzaniu pośrednim.

W miernikach analogowych i rejestratorach o przetwarzaniu bezpośrednim, w celu uzyskania zgodnego z normą czasu ustalania, są stosowane tłumiki, zaś w rejestratorach o przetwarzaniu pośrednim specjalne układy.

Układy te można podzielić na dwie grupy:

- układy przetwarzające w obwodzie wejściowym rejestratora lub obwodzie sygnału nierównowagi - zmniejszające szybkość zmian sygnałów mierzonych;

- układy, których działanie polega na podaniu do kanału wzmacniającego napięcia w odpowiedniej fazie, proporcjonalnego do prędkości silnika nadążnego.

REJESTRATORY ANALOGOWE.

W rejestratorach analogowych zapis jest najczęściej dokonywany za pomocą specjalnego piórka zasilanego atramentem lub wymiennego wkładu napełnianego odpowiednim barwnikiem. Metody powyższe nie gwarantują wprawdzie dużej szybkości zapisu, ale są niezawodne, tanie, nie wymagają specjalnie preparowanych nośników i umożliwiają natychmiastowy odczyt zarejestrowanego wyniku. Najszybszy jest zapis magnetyczny lub optyczny - realizowany za pomocą promienia świetlnego (światło widzialne lub ultrafiolet), lub strumienia elektronów na odpowiednio uczulonym nośniku. Zapis taki wymaga jednak skomplikowanych urządzeń, a odczyt zarejestrowanego wyniku nie jest bezpośredni. Wymaga on dodatkowych urządzeń odczytowych (zapis magnetyczny), albo też jest możliwy po wykonaniu odpowiedniej obróbki chemicznej nośnika (wywołanie i ewentualne utrwalenie). Dlatego też takie metody zapisu stosowane są przede wszystkim przy wymaganej bardzo dużej szybkości rejestracji, przy której zapis atramentem zawodzi.

Rejestratory elektromechaniczne.

Rejestratory elektromechaniczne działają stosunkowo wolno i najczęściej nadają się do zapisu przebiegu o częstotliwości nie przekraczającej 100 Hz (wyjątkowo, pióro strumieniowe może działać do 1000 Hz). Można je podzielić na dwie charakterystyczne grupy:

• rejestratory bezpośrednie, pracujące w układzie otwartym, które energię potrzebną do odchylenia organu ruchomego (oraz urządzenia zapisującego) pobierają z obwodu pomiarowego,

• rejestratory pośrednie, pracujące w układzie zamkniętym, które nie obciążają obwodu pomiarowego, a energię potrzebną do przemieszczania organu ruchomego czerpią ze źródła pomocniczego (sieci energetycznej lub baterii).

REJESTRATORY O PRZETWARZANIU BEZPOŚREDNIM.

W rejestratorach o działaniu bezpośrednim energia potrzebna do odchylenia organu ruchomego jest pobierana bezpośrednio z obwodu kontrolowanego lub ze wzmacniacza elektronicznego wzmacniającego wielkość mierzoną. Prąd płynący przez ustrój pomiarowy, będący funkcją wielkości mierzonej, wytwarza moment napędowy niezbędny do przesunięcia urządzenia zapisującego połączonego z organem ruchomym. Ustroje pomiarowe stosowane w rejestratorach o przetwarzaniu bezpośrednim są zbudowane podobnie do ustrojów mierników elektromechanicznych.

Ustroje pomiarowe w rejestratorach o zapisie ciągłym mają duży moment napędowy potrzebny do przezwyciężenia momentu tarciowego między pisakiem a nośnikiem zapisu. Dlatego też najczęściej są używane ustroje magnetoelektryczne i ferrodynamiczne o specjalnej konstrukcji, wytwarzające moment napędowy o wartości ok. 2000 N*m.

W rejestratorach o zapisie punktowym nie występuje tarcie między urządzeniem zapisującym a nośnikiem zapisu. Można więc stosować ustroje pomiarowe o konstrukcji takiej samej jak konstrukcje ustrojów elektromechanicznych, a więc o momentach napędowych 10 - 50 N*m. Najczęściej są stosowane ustroje magnetoelektryczne, rzadziej ferrodynamiczne i elektromagnetyczne.

Ustroje pomiarowe rejestratorów o przetwarzaniu bezpośrednim pracują w układach pomiarowych takich samych jak ustroje mierników analogowych. Rejestratory te są używane do pomiaru i zapisu takich wielkości elektrycznych jak: prąd, napięcie, moc czynna i bierna, częstotliwość oraz do pomiaru i zapisu wielkości nieelektrycznych dających się przetworzyć na jedną z wymienionych wielkości elektrycznych.

Niekorzystną cechą rejestratorów o przetwarzaniu bezpośrednim i zapisie ciągłym jest mała czułość i duży pobór mocy z obwodu kontrolowanego. W rejestratorach o zapisie punktowym wada ta jest niemal całkowicie usunięta, jednakże za cenę zapisu nieciągłego. Jeżeli charakter zmian wielkości mierzonej wymaga zapisu ciągłego lub czułość rejestratora o zapisie punktowym jest niewystarczająca, to wielkość mierzoną należy przed zapisem odpowiednio wzmocnić. Używane są do tego celu najczęściej monolityczne wzmacniacze prądu stałego. Budowane w Polsce rejestratory o przetwarzaniu bezpośrednim powinny spełniać wymagania normy PN-73/E-06503. Przepisy zawarte w ten normie ustalają następujące klasy dokładności rejestratorów:

• w odniesieniu do wielkości mierzonej: 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 5;

• w odniesieniu do czasu rejestrowanego: 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 5.

Ze względu na dużą bezwładność organu ruchomego, rejestratory o przetwarzaniu bezpośrednim i zapisie atramentem są stosowane do rejestracji wielkości o częstotliwościach co najwyżej kilkudziesięciu herców. Parametrem charakteryzującym właściwości dynamiczne tego typu rejestratorów jest czas uśredniania. Czas ten określa się ze wzoru w którym:

t_u - czas ustalania się wskazań organu ruchomego, tzn. czas jaki upłynie między skokową zmianą wielkości mierzonej a osiągnięciem przez urządzenie zapisujące położenia ustalonego z błędem równym 1% długości podziałki. Zalecane są następujące czasy uśredniania: 0,3 s; 1 s; 10 s; 30 s; 100 s; 300 s; 1000 s. Im krótszy jest czas uśredniania rejestratora, tym szerszy jest jego zakres częstotliwościowy.

W rejestratorze bezpośrednim wielkość mierzona, o wartości X(t) zmieniającej się w czasie, doprowadzona jest do elektromechanicznego przetwornika pomiarowego powoduje odchylenie jego organu ruchomego wraz z urządzeniem zapisującym. Ze względu na konieczność pokonania dodatkowych oporów mechanicznych stosuje się przetworniki o możliwie dużych momentach napędowych, najczęściej magnetoelektryczne lub ferrodynamiczne.

W rejestratorze z zapisem elektrotermicznym pracującym w układzie otwartym prąd mierzony doprowadzony jest do cewki ruchomej przetwornika magnetoelektrycznego przez taśmy zawieszenia. Poruszający się wraz z cewką pisak (przymocowany do cewki podobnie jak wskazówka) jest podgrzewany prądem pomocniczym. Nośnikiem zapisu jest tu specjalna czarna taśma papierowa pokryta warstwą białego wosku. W miejscu, w którym pisak dociska nośnik do ostrza, następuje wytopienie wosku i odsłonięcie czarnego podłoża. Ruch obrotowy organu ruchomego i pisaka powoduje zniekształcenie wykresu. Aby uzyskać prawidłowy wykres w prostokątnym układzie współrzędnych, konieczna jest zamiana ruchu obrotowego cewki przetwornika na proporcjonalne do kąta obrotu, liniowe przemieszczenie pisaka. Zadanie to wykonuje mechanizm linearyzujący. Cewka przetwornika wraz z krótkim ramieniem wykonują ruch obrotowy. Przegub łączy ramię ze wskazówką, na końcu której jest zamocowane pióro. Na przeciwległym końcu wskazówki znajduje się kołek, który może się poruszać wyłącznie w prowadnicach. Długości wszystkich elementów mechanizmu są dobrane w ten sposób, że podczas obrotu cewki, koniec wskazówki z piórem porusza się praktycznie prostoliniowo wzdłuż szerokości nośnika.

Innym przykładem konstrukcyjnego rozwiązania rejestratora bezpośredniego jest rejestrator punktowy. Może on służyć do zapisu kilku różnych przebiegów na jednej wykresówce. Zapis odbywa się metodą punktową, która polega na tym, że w pewnych odstępach czasu ruchomy pałąk opada gwałtownie na wskazówkę, dociska ją do taśmy barwiącej i odbija znak, określający aktualne położenie wskazówki na wykresówce. W rejestratorze znajduje się komplet taśm o różnych barwach, zamocowanych na ruchomym trzymaku, oraz przełącznik punktów pomiarowych (komutator), łączący różne zaciski wejściowe przyrządu z cewką przetwornika. Po każdym wykonaniu zapisu ruchomy pałąk wraca do położenia górnego, przy którym wskazówka może się swobodnie przemieszczać i następnie samoczynne wybranie nowego punktu pomiarowego oraz zmiana barwy taśmy barwiącej. Zapis i zmiana wielkości mierzonej odbywa się zwykle w odstępach kilkusekundowych. Silnik synchroniczny, napędzający przez przekładnię mechaniczną walec przesuwu wykresówki, służy jednocześnie do uruchamiania, przez zespół krzywek, pałąka i przełącznika. Spotyka się rejestratory punktowe o trzech, sześciu, a nawet dwunastu wejściach pomiarowych.

Rejestratory elektromechaniczne bezpośrednie mają zwykle klasę dokładności odpowiadającą miernikom technicznym (1; 1,5; 2,5). Przy pełnym odchyleniu wskazówki pisaka pobierają z obwodu badanego moc ok. 10 mW.

REJESTRATORY O PRZETWARZANIU POŚREDNIM.

Główną wadą rejestratorów o przetwarzaniu bezpośrednim jest konieczność wzmacniania sygnału mierzonego do poziomu niezbędnego do sterowania urządzeniem zapisującym. W rejestratorach o przetwarzaniu pośrednim moc potrzebną do sterowania urządzeniem zapisującym dostarcza specjalny silnik zwany silnikiem nadążnym albo serwosilnikiem, a pomiar jest wykonywany metodą zerową. Równoważenie dokonuje się w układach mostkowych lub kompensacyjnych. Odbywa się ono automatycznie dzięki stosowaniu sprzężenia zwrotnego.

Rejestratory o przetwarzaniu pośrednim są budowane w jednym z trzech następujących układów strukturalnych:

• układzie zawierającym wzmacniacz i układ równoważenia wielkości mierzonej;

• układzie ze wzmacniaczem galwanometrycznym, dającym na wyjściu wielkość elektryczną (najczęściej prąd stały), zapisywaną przez rejestrator o przetwarzaniu bezpośrednim;

• układzie zawierającym jeden z rodzajów ustrojów elektromechanicznych współpracujący z urządzeniem śledzącym położenie organu ruchomego.

Budowane w Polsce rejestratory o przetwarzaniu pośrednim powinny spełniać wymagania normy PN-77/E-06502. Przepisy zawarte w tej normie ustalają następujące klasy dokładności rejestratorów:

• w odniesieniu do wielkości mierzonej: 0,1; 0,25; 0,5; 1;

• w odniesieniu do czasu rejestrowanego: 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 2; 5.

W rejestratorze pośrednim do układu porównującego (węzeł sumacyjny) doprowadza się z jednej strony wartość wielkości mierzonej X(t) a z drugiej - wartość kompensującą tej samej wielkości X_k(t) o znaku przeciwnym. Różnica obu wartości X, odpowiednio wzmocniona we wzmacniaczu, steruje element wykonawczy (najczęściej elektryczny silnik wykonawczy), który zmienia jeden z parametrów obwodu kompensacyjnego w taki sposób, aby różnicę X doprowadzić do zera (praktycznie do pewnej wartości minimalnej zwanej progiem pobudliwości lub nieczułości). Element wykonawczy napędza jednocześnie urządzenie zapisujące (wskazówkę i pisak) rejestratora. W stanie kompensacji (zrównania wartości mierzonej i kompensującej) nie pobiera się energii z układu pomiarowego, cała energia potrzebna do pracy rejestratora jest pobierana ze źródła pomocniczego.

w rejestratorze kompensacyjnym napięcie mierzone U jest porównywalne z napięciem kompensującym U_k, występującym między punktami A i B układu mostkowego zasilanego napięciem stabilizowanym U_z. Przy stałej wartości napięcia zasilającego i stałych wartościach rezystancji R, wartość napięcia U_k zależy wyłącznie od położenia styku w rezystorze nastawnym R_k. Różnica napięć U = U - U_k jest wprowadzona na wejście wzmacniacza elektronicznego, który zasila silnik wykonawczy. Kierunek wirowania wałka napędowego silnika zależy od znaku napięcia U (dodatni czy ujemny) i jest tak dobrany, że styk jest zawsze przemieszczany w kierunku zmniejszenia się wartości bezwzględnej U. Silnik zatrzymuje się gdy różnica U zmniejszy się poniżej wartości progu pobudliwości. Dla każdej wartości napięcia U, mieszczącej się w zakresie pomiarowym rejestratora, istnieje takie położenie suwaka, przy którym, przy którym jest spełniona równość U = U_k. Do suwaka dołączona jest wskazówka umożliwiająca odczyt zmierzonej wartości na podziałce oraz urządzenie zapisujące tę wartość na wykresówce (w sposób ciągły lub punktowy). Odpowiedni dobór rezystancji mostka oraz rezystora bocznikującego umożliwia uzyskanie różnych zakresów pomiarowych, a także przesunięcie wskazu zerowego do dowolnego miejsca podziałki lub poza podziałkę. Filtr RC znajdujący się na wejściu przyrządu zapobiega oscylacyjnemu ruchowi suwaka (wprowadza odpowiednie tłumienie) oraz zmniejsza zakłócenia sygnału wejściowego.

Oscylografy świetlne.

Zasada działania oscylografu jest następująca. Źródło światła wysyła promienie świetlne, które przez soczewkę skupiającą oraz soczewkę umieszczoną w przetworniku (galwanometrze) magnetoelektrycznym padają na miniaturowe lusterko przymocowane do cewki ruchomej. Po odbiciu od lusterka strumień świetlny jest kierowany przez lusterko płaskie na nośnik zapisu pokryty warstwą światłoczułą. Cylindryczna soczewka skupiająca ma tak dobraną ogniskową, że w płaszczyźnie nośnika otrzymuje się bardzo ostry, punktowy obraz źródła światła. Położenie tego punktu na nośniku zależy od odchylenia cewki i lustra galwanometru; zatem zależy od wartości wielkości rejestrowanej. Źródłem światła jest najczęściej wysokoprężna lampa rtęciowa o dużej zawartości promieni ultrafioletowych. Pozwala to na stosowanie papierów dziennych wrażliwych na promieniowanie ultrafioletowe i nie wymagających wywoływania. Przetwornikiem pomiarowym jest oscylografu jest galwanometr magnetoelektryczny. Galwanometr ma cewkę wykonaną z drutu aluminiowego o średnicy wynoszącej kilkadziesiąt mikrometrów. Cewka ma szerokość ok. 0,2 mm, długość 10 mm i masę ok. 1 mg. Jest ona dwustronnie zawieszona na taśmach, które wytwarzają moment zwrotny i jednocześnie służą do doprowadzenia prądu . Odpowiedni naciąg taśm zapewnia sprężyna. Doprowadzenie prądu do galwanometru odbywa się za pośrednictwem izolowanych pierścieni stykowych. Wymiary zewnętrzne galwanometrów tego typu wynoszą: średnica ok. 5 mm, całkowita wysokość 65...80 mm. Odpowiednie tłumienie drgań cewki uzyskuje się przez wypełnianie wnętrza galwanometru olejem silikonowym, którego lepkość mało zależy od temperatury. Miniaturowe galwanometry nie mają własnych magnesów trwałych, lecz umieszczone są we wspólnym bloku magnetycznym. Kilka lub kilkanaście (do 25) galwanometrów umieszcza się w otworach nabiegunników, wspólnego silnego magnesu trwałego. Obwód prądu badanego zamyka się przez doprowadzenia i styki. Promienie świetlne wysyłane ze źródła przechodzą przez soczewkę skupiającą i wąską nastawialną szczelinę. Po odbiciu przez nieruchome lustra są koncentrowane na ruchomych lusterkach galwanometrów. Po odbiciu od lusterka galwanometru, strumień świetlny pada na nieruchome lustro płaskie i jest kierowany przez skupiające soczewki cylindryczne na taśmę rejestracyjną, przesuwaną za pomocą wałków z prędkością nastawianą od kilku milimetrów do kilku metrów na sekundę. Część strumienia świetlnego odbija lustro i kieruje ją przez soczewkę cylindryczną na wirujące lustra, tworzące boki prostopadłościanu foremnego. Taki zespół luster nazywa się lustrem poligonalnym. Promień odbity od wirujących luster pada na matówkę. Podczas badania przebiegów periodycznych, prędkość kątowa lustra poligonalnego synchronizuje się z częstotliwością przebiegu, wówczas na matówce powstaje obraz nieruchomy. Nowoczesne oscylografy świetlne mają zwykle wbudowany układ znacznika czasu, który nanosi na taśmę linie prostopadłe do kierunku posuwu w określonych odstępach czasu, np. co 10 s; 1 s; 0,1 s lub 0,01 s. Układ znacznika czasu składa się z lampy błyskowej, wyzwalanej generatorem częstotliwości wzorcowej oraz wypukłego lustra kierującego strumień lampy błyskowej na lustro i taśmę rejestracyjną. Nośnik zapisu z zarejestrowanymi przebiegami nazywa się oscylogramem.

REJESTRATORY X-t ORAZ X-Y.

Zapis analogowy wielkości mierzonej X najczęściej jest przedstawiany w postaci wykresu zmian tej wielkości w funkcji czasu t (rejestratory X-t), lub też w kartezjańskim układzie współrzędnych jako wykres Y(X) (rejestratory X-Y).

Rejestratory X-t mogą pracować w układzie otwartym, w którym urządzenie zapisujące (pisak) jest napędzane bezpośrednio przez organ ruchomy pomiarowego przetwornika elektromechanicznego, najczęściej magnetoelektrycznego o odpowiednio dużym momencie napędowym. Rejestrator może też działać w układzie zamkniętym, w którym pisak jest uruchamiany za pomocą silnika elektrycznego, sterowanego za pomocą zmian wielkości mierzonej. Rejestratory X-Y pracują z reguły w układzie zamkniętym.

Do napędu taśmy papierowej, umożliwiającego zapis w funkcji czasu, stosowane są najczęściej silniki synchroniczne, zasilane z sieci oświetleniowej. Przy wymaganiach większej dokładności wzorcowania osi czasu steruje się silniki z generatorów kwarcowych.

Rejestratory X-Y służą do sporządzania wykresów wzajemnej zależności między dwiema wielkościami. Nośnik (arkusz papieru, najczęściej formatu A3) jest w tych rejestratorach nieruchomy, a pisak zamocowany na ruchomej karetce przemieszcza się w układzie współrzędnych prostokątnych, zależnie od napięć na obu wejściach rejestratora.

W wielu rejestratorach X-Y można sterować ruchem pisaka za pomocą sygnałów cyfrowych. Rejestratory takie, noszące nazwę plotterów, są właściwie cyfrowymi systemami przetwarzania danych, sterowanymi za pomocą mikroprocesora lub maszyny matematycznej. Przyrządy tego typu znalazły szerokie zastosowanie przy wyznaczaniu charakterystyk diod, tranzystorów, materiałów magnetycznych itp. oraz jako urządzenia peryferyjne komputerów.

Produkowane obecnie rejestratory X-Y są przyrządami o przetwarzaniu pośrednim - najczęściej z kompensacyjnymi układami pomiarowymi. Mają zwykle dwa niezależne urządzenia nadążne, z których jedno przesuwa pisak w kierunku osi X, a drugie w kierunku prostopadłej do niej osi Y. W niektórych rozwiązaniach konstrukcyjnych urządzenie zapisujące przesuwa się wzdłuż jednej osi, a wzdłuż prostopadłej do niej przesuwa się nośnik zapisu. Rejestratory o ruchomym nośniku zapisu są budowane często jako rejestratory X-Y/t, a więc jako rejestratory służące do zapisu jednej wielkości w funkcji czasu. Wykonanie Y/t z wykonania X-Y otrzymuje się przez doprowadzenie do układu pomiarowego X napięcia liniowo narastającego i takie dobranie tłumienia, aby nośnik zapisu był przesuwany ruchem jednostajnym.

REJESTRATORY CYFROWE.

W rejestratorach cyfrowych, nazywanych powszechnie drukarkami wierszowymi, stosowane są najczęściej mechaniczne metody zapisu powierzchniowego (uderzenie czcionkami w nośnik przez taśmę barwiącą) lub strukturalnego, polegającego na dziurkowaniu w nośniku niewielkich otworów, pozwalających na syntezę cyfr (drukarki mozaikowe).

Coraz częściej są stosowane elektroiskrowe lub elektrotermiczne metody zapisu. Wymagają one wprawdzie odpowiednio przygotowanego nośnika, który zmienia barwę w miejscu przeskoku iskry lub pod wpływem silnego impulsu prądowego, ale umożliwiają natychmiastowy wizualny odczyt wydruku. Wymienione wyżej metody umożliwiają drukowanie z maksymalną prędkością 10...50 wierszy na sekundę. Uzyskanie znacznie większych prędkości, dochodzących do 200 wierszy na sekundę jest możliwe przy zapisie magnetycznym lub optycznym, mającym jednak przy zapisie cyfrowym te same wady, co i przy zapisie analogowym.

DRUKARKI WIERSZOWE.

Cyfrowa rejestracja wyników pomiarów jest formą ich zapamiętania, a zadrukowaną cyframi kartę lub odcinek taśmy można porównywać do matryce pamięciowej.

W miernictwie elektronicznym i cyfrowych systemach pomiarowych są stosowane przede wszystkim drukarki elektromechaniczne, w których przesuw nośnika jest mechaniczny, a proces drukowania mechaniczny (czcionka + taśma barwiąca) lub elektryczny (iskra lub impuls prądowy) i tylko one zostaną omówione.

Ze względu na sposób przygotowywania drukowanych znaków można wyróżnić:

• drukarki z wyborem znaków,

• drukarki z syntezą znaków (drukarki mozaikowe).

Wybór lub synteza znaku może poprzedzać proces drukowania (praca statyczna drukarki) lub też odbywać się w czasie jego trwania (praca dynamiczna drukarki, czyli tzw. "drukowanie w locie").

Zasada działania drukarki z dynamicznym wyborem znaków jest następująca: bęben drukujący sztywno sprzęgnięty z krążkami czcionkowymi napędzany jest silnikiem elektrycznym i obraca się ruchem jednostajnym. Każda kolumna cyfr wyniku, a zatem i każdy krążek drukujący jest obsługiwany przez oddzielny młotek drukujący, który uderza (przez papier i taśmę barwiącą) w czcionkę aktualnie się pod nim znajdującą. Wybór momentu zadziałania młotka odbywa się w następujący sposób. Na wale silnika znajduje się generator kodu, który wytwarza informację o aktualnym położeniu bębna drukującego względem szeregu młotków drukujących. Informacja ta jest dostarczana do odpowiednich układów porównujących (komparatorów). W momencie zgodności cyfry znajdującej się przed młotkiem danej dekady z jej aktualnym stanem komparator wytwarza impuls eklektyczny uruchamiający młotek drukujący. W ten sposób w ciągu jednego obrotu wału silnika zostają wydrukowane wszystkie cyfry we wszystkich kolumnach, niezależnie od liczby cyfr wyniku. Po zakończeniu drukowania, generator kodu wytwarza impuls "wiersz" przesuwający taśmę papierową i kończący tym samym cykl pracy drukarki.

Drukowanie wyników metodą dynamiczną umożliwia uzyskanie prędkości rejestracji dochodzącej do 50 wierszy na sekundę. Szybkość ta jest ograniczona bezwładnością młotków drukujących, czytelnością znaków drukowanych obracającym się bębnem drukującym oraz wytrzymałością nośnika na zerwanie, przy bardzo szybkim jego przesuwie. W przeciętnych wykonaniach drukarek prędkość druku jest znacznie mniejsza i nie przekracza zwykle 10 wierszy na sekundę.

Do cyfrowej rejestracji wyników pomiarów używa się także sterowanych elektrycznie maszyn do pisania lub elektromechanicznych kalkulatorów rejestrujących. Urządzenia te działają "statycznie", tj. wybór cyfr drukowanych odbywa się niezależnie w każdej kolumnie przed wydrukowaniem wiersza. Z tego też względu prędkość rejestracji (zależna od liczby cyfr w wierszu) jest znacznie mniejsza i nie przekracza zwykle 1...2 wierszy na sekundę.

Sam druk może być wykonywany w sposób mechaniczny przez docisk stożkowo-kuliście zakończonych czcionek do nośnika poprzez taśmę barwiącą lub też elektroiskrowo lub elektrochemicznie. Elementy tworzące cyfrę (znak) umieszczone są w węzłach prostokątnej matrycy siatkowej n (kolumn) m (podwierszy). Najczęściej oczka siatki są kwadratowe (a=b), a sama matryca ma wymiar 5 x 7.

Synteza cyfr w drukarce mozaikowej dokonywana jest w całym wierszu podwierszami, przy czym po wydrukowaniu każdego podwiesza nośnik jest przesuwany o odcinek a.

Informacja przewidziana do wydrukowania pobierana jest zazwyczaj z pamięci pośrednich w przyrządzie pomiarowym lub przetworniku A/C i wpisywana do pamięci matrycowych o takich samych wymiarach (a x b) co matryca drukowanej cyfr. Z pamięci tych pobierana jest informacja podwierszami za pomocą generatora synchronizującego (selektora), sprzęgniętego z obracającym się wałkiem przesuwu papieru. Po zakończeniu wyboru i wydrukowaniu ostatniego (m-tego) podwiersza wałek przesuwa papier o odpowiedni odcinek, niezbędny do zachowania właściwych odstępów między drukowanymi wierszami.

Drukarki mozaikowe z syntezą znaków w czasie drukowania umożliwiają uzyskanie dużych prędkości druku, które przy drukowaniu elektrycznym dochodzą do 200 wierszy na sekundę.

W urządzeniach z drukowaniem mechanicznym prędkość drukowania zawiera się zwykle w granicach 30...50 wierszy na sekundę.

OSCYLOSKOPY ELEKTRONICZNE.

Oscyloskop elektroniczny jest najbardziej uniwersalnym przyrządem w miernictwie elektronicznym, umożliwiającym wizualną obserwację i rejestrację (za pomocą odpowiednich przystawek) przebiegów elektrycznych oraz pomiar prawie wszystkich podstawowych wielkości elektrycznych. Rejestracja przebiegów obserwowanych na ekranie oscyloskopu dokonywana jest za pomocą przystawek fotograficznych, wyposażonych zwykle w kasety typu Polaroid, dzięki którym można uzyskać gotową odbitkę w 30...45 s od momentu wykonania zdjęcia. Duża czułość błon Polaroid (36 DIN) umożliwia rejestrację bardzo szybkich, jednorazowych przebiegów przy prędkościach zapisu dochodzących do 100 mm/us.

Przebiegi periodyczne mogą być fotografowane na zwykłych, ogólnie dostępnych materiałach negatywowych. Czas naświetlania dobiera się metodą prób. Jako wskazówkę można przyjąć, że przy przysłonie 4...5,6 i czułości filmu 21...23 DIN czasy naświetlania zawierają się w granicach 0,5...1 s. Użycie jasnego obiektywu (1:2) i czułego filmu (27 DIN) skraca czas naświetlenia do 1/15 s, a nawet do 1/30 s i w ten sposób można rejestrować wolnozmienne przebiegi jednorazowe.

BIBLIOGRAFIA.

1. Augustyn Chwaleba, Maciej Poniński, Andrzej Siedlecki - „Metrologia elektryczna”, WNT Warszawa ©1994;

2. Zdzisław Karkowski - „Miernictwo elektroniczne”, WSiP Warszawa ©1991;

3. Jan Dyszyński, Ryszard Hagel - „Miernictwo elektryczne”, WSiP Warszawa ©1985.

SPIS TREŚCI.

WPROWADZENIE 1

Podział 1

Jednostki funkcjonale rejestratorów 5

Rodzaje zapisu i metody rejestracji 6

Układy równoważenia 11

Układy regulacji dynamiki 12

REJESTRATORY ANALOGOWE 13

Rejestratory elektromechaniczne 13

- o przetwarzaniu bezpośrednim 13

- o przetwarzaniu pośrednim 16

Oscylografy świetlne 17

Rejestratory X-t i X-Y 19

REJESTRATORY CYFROWE 20

Drukarki wierszowe 20

Oscyloskopy elektroniczne 22

BIBLIOGRAFIA 23

Instytut Metrologii Elektrycznej - Politechnika Wrocławska™

1

- 1 -

- 13 -

---