RU155670U1

RU155670U1 - CAPACITIVE SENSOR FOR ANGULAR ANGULAR INDEX

Info

Publication number: RU155670U1
Application number: RU2015109024/28U
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Николаевич Шивринский
Priority date: 2015-03-13
Filing date: 2015-03-13
Publication date: 2015-10-20

Abstract

Емкостный датчик углового положения стрелочного указателя, содержащий шкалу измерительного прибора с нанесенными на нее неподвижными электродами из токопроводящего материала, электрически изолированными как от шкалы, так и от остальных элементов конструкции измерительного прибора, и стрелочный указатель из токопроводящего материала, отличающийся тем, что неподвижные электроды представляют собой несколько концентрических колец с центром на оси вращения стрелки, отделенных друг от друга пазами, при этом внешнее кольцо разделено радиальными пазами на дугообразные электроды, другие два кольца разделены пазами на две части, причем формы пазов выполнены с возможностью дифференциального, синусоидального и косинусоидального изменения емкостей между стрелкой и каждым из неподвижных электродов.A capacitive sensor for the angular position of the pointer, containing the scale of the measuring device with fixed electrodes of conductive material deposited on it, electrically isolated from both the scale and other structural elements of the measuring device, and a pointer of conductive material, characterized in that the stationary electrodes represent a few concentric rings centered on the axis of rotation of the arrow, separated from each other by grooves, while the outer ring is divided for by grooves on the arcuate electrodes, the other two rings are divided by grooves into two parts, and the groove shapes are made with the possibility of differential, sinusoidal and cosine changes in capacitance between the arrow and each of the fixed electrodes.

Description

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована в системах с автоматическим сбором информации о значениях измеряемых величин для стрелочных приборов с круговой шкалой.The utility model relates to the field of measurement technology and can be used in systems with automatic collection of information about the values of the measured values for dial gauges with a dial.

Известен встроенный в электроизмерительный прибор емкостный датчик, образованный стрелочным указателем и нанесенными под оцифрованные отметки шкалы, соосно с ними и изолированно от шкалы, слоями проводящего материала, соединенными между собой параллельно (см. патент РФ №1308018, G01R 35/00, Б.И. №14, 1997). При повороте подвижной части электроизмерительного прибора стрелочный указатель изменяет свое положение относительно слоев проводящего материала, расположенных соосно с оцифрованными отметками. При прохождении указателем середины оцифрованной отметки электрическая емкость между указателем и соответствующим слоем проводящего материала максимальна.A capacitive sensor built into an electrical measuring device is known, formed by an arrow pointer and applied under the digitized scale marks, coaxially with them and isolated from the scale, with layers of conductive material interconnected in parallel (see RF patent No. 1308018, G01R 35/00, B.I. No. 14, 1997). When turning the movable part of the electrical meter, the pointer changes its position relative to the layers of conductive material located coaxially with the digitized marks. When the pointer passes through the middle of the digitized mark, the electric capacitance between the pointer and the corresponding layer of conductive material is maximum.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного емкостного датчика, относится невозможность идентификации слоя, над которым в данный момент находится стрелочный указатель при произвольном характере изменения положения подвижной части электроизмерительного прибора.The reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using a known capacitive sensor include the impossibility of identifying the layer over which the pointer is currently located with an arbitrary character of a change in the position of the movable part of the electrical measuring device.

Наиболее близким емкостным датчиком того же назначения к заявленному датчику по совокупности признаков является встроенный в электроизмерительный прибор емкостный датчик, образованный стрелочным указателем и нанесенными на шкалу неподвижными электродами из токопроводящего материала, электрически изолированными как от шкалы, так и от остальных элементов конструкции прибора, в котором система неподвижных электродов представляет собой дугообразный с центром на оси вращения стрелки слой, разделенный на две части пазом, при этом имеется дополнительный дугообразный с центром на оси вращения стрелки слой из токопроводящего материала, нанесенный на шкалу и отделенный от основного слоя пазом, электрически изолированный как от шкалы, так и от других элементов конструкции прибора (см. патент РФ №2122180, G01D 5/00, G01R 5/00, Б.И. №32, 1998) и принятый за прототип.The closest capacitive sensor of the same purpose to the claimed sensor according to the totality of features is a capacitive sensor built into the electrical measuring device, formed by an arrow pointer and fixed electrodes made of conductive material deposited on the scale, electrically isolated both from the scale and from the other structural elements of the device, in which the fixed electrode system is an arcuate layer with a center on the axis of rotation of the arrow, divided into two parts by a groove, while I am an additional arcuate layer with a center on the axis of rotation of the arrow, made of conductive material deposited on the scale and separated from the main layer by a groove, electrically isolated both from the scale and from other structural elements of the device (see RF patent No. 2122180, G01D 5/00, G01R 5/00, B.I. No. 32, 1998) and adopted as a prototype.

Форма паза между электродами такова, что площади перекрытия неподвижных электродов и стрелки при ее движении в одну сторону изменяются монотонно и дифференциально относительно друг друга, при этом выходные емкости электродов также будут изменяться дифференциально и монотонно, что позволяет привести в однозначное соответствие угловое положение стрелки и значения выходных емкостей. Следовательно, зная зависимость выходной емкости датчика от угла поворота стрелки, можно в любой момент времени определить местоположение стрелки на шкале. Электрическая емкость между дополнительным дугообразным слоем и стрелкой зависит только от зазора между стрелкой и шкалой, что позволяет вносить поправку в показания датчика на изменение зазора между стрелкой и шкалой.The shape of the groove between the electrodes is such that the overlapping areas of the stationary electrodes and the arrow when it moves in one direction change monotonously and differentially with respect to each other, while the output capacitances of the electrodes will also change differentially and monotonously, which makes it possible to uniquely match the angular position of the arrow and the value output capacities. Therefore, knowing the dependence of the output capacitance of the sensor on the angle of rotation of the arrow, you can at any time determine the location of the arrow on the scale. The electric capacitance between the additional arcuate layer and the arrow depends only on the gap between the arrow and the scale, which allows you to adjust the sensor readings to change the gap between the arrow and the scale.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже результата при использовании известного емкостного датчика, принятого за прототип, относится уменьшение чувствительности и неоднозначность отсчета при его размещении в измерительных приборах с круговой шкалой и стрелочным указателем, имеющим хвостовую часть.The reasons that impede the achievement of the result indicated below when using a well-known capacitive sensor adopted as a prototype include a decrease in sensitivity and ambiguity of reference when it is placed in measuring instruments with a dial and a pointer indicating the tail.

Технический результат - расширение диапазона измерения и повышение чувствительности.The technical result is an extension of the measuring range and increased sensitivity.

Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что известный емкостный датчик содержит шкалу измерительного прибора с нанесенными на нее неподвижными электродами из токопроводящего материала, электрически изолированными как от шкалы, так и от остальных элементов конструкции измерительного прибора, и стрелочный указатель из токопроводящего материала.The specified technical result in the implementation of the utility model is achieved by the fact that the known capacitive sensor contains a scale of the measuring device with fixed electrodes of conductive material deposited on it, electrically isolated both from the scale and from the other structural elements of the measuring device, and an arrow pointer made of conductive material.

Особенностью является то, что неподвижные электроды представляютсобой несколько концентрических колец с центром на оси вращения стрелки, отделенных друг от друга пазами, при этом внешнее кольцо разделено радиальными пазами на дугообразные электроды, другие два кольца разделены пазами на две части, причем формы пазов выполнены с возможностью дифференциального, синусоидального и косинусоидального изменения емкостей между стрелкой и каждым из неподвижных электродов.The peculiarity is that the stationary electrodes are several concentric rings centered on the axis of rotation of the arrow, separated by grooves, while the outer ring is divided by radial grooves into arcuate electrodes, the other two rings are divided by grooves into two parts, and the shape of the grooves is made with the possibility differential, sinusoidal and cosine changes in capacitance between the arrow and each of the stationary electrodes.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема неподвижных электродов в виде концентрических колец, отделенных друг от друга пазами, с центром на оси вращения стрелки, имеющей хвостовую часть, на фиг. 2 - схема неподвижных электродов в виде концентрических колец, разделенных радиальными пазами на дугообразные электроды и пазами с возможностью дифференциального, синусоидального и косинусоидального изменения емкостей между стрелкой и неподвижными электродами, на фиг. 3 - зависимости изменения емкостей между стрелкой и неподвижными электродами при изменении угла поворота стрелочного указателя от 0 до 360°.The essence of the utility model is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a diagram of stationary electrodes in the form of concentric rings separated by grooves, centered on the axis of rotation of the arrow having a tail, in FIG. 2 is a diagram of stationary electrodes in the form of concentric rings separated by radial grooves into arcuate electrodes and grooves with the possibility of differential, sinusoidal and cosine changes in capacitance between the arrow and the fixed electrodes, in FIG. 3 - dependence of the change in capacitance between the arrow and the stationary electrodes when changing the angle of rotation of the pointer from 0 to 360 °.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем.Information confirming the feasibility of implementing the utility model with obtaining the above technical result is as follows.

На шкалу 1 (фиг. 1) измерительного прибора нанесены неподвижные электроды из токопроводящего материала, электрически изолированные как от шкалы, так и от остальных элементов конструкции измерительного прибора, в виде концентрических колец 2, 3, 4, 5, отделенные друг от друга пазами, с центром на оси вращения стрелки 6, имеющей хвостовую часть 7.On the scale 1 (Fig. 1) of the measuring device, fixed electrodes of conductive material are applied, electrically isolated both from the scale and from the other structural elements of the measuring device, in the form of concentric rings 2, 3, 4, 5, separated by grooves, centered on the axis of rotation of the arrow 6 having a tail portion 7.

Внешнее кольцо 2 разделено радиальными пазами на дугообразные электроды 8, 9, 10, 11 (фиг. 2). Кольцо 3 разделено пазом на две части 12 и 13 (фиг. 2), а кольцо 4 разделено пазом на две части 14 и 15 (фиг. 2), причем формы пазов выполнены с возможностью дифференциального, синусоидального и косинусоидального изменения емкостей между стрелкой 6, имеющей хвостовую часть 7, и неподвижными электродами 12, 13 и 14, 15.The outer ring 2 is divided by radial grooves into arcuate electrodes 8, 9, 10, 11 (Fig. 2). Ring 3 is divided by a groove into two parts 12 and 13 (Fig. 2), and ring 4 is divided by a groove into two parts 14 and 15 (Fig. 2), and the shape of the grooves is made with the possibility of differential, sinusoidal and cosine changes in capacitance between arrow 6, having a tail portion 7, and fixed electrodes 12, 13 and 14, 15.

Емкостный датчик углового положения стрелочного указателя работает следующим образом.A capacitive sensor for the angular position of the pointer works as follows.

При нахождении стрелки 6 в зоне одного из дугообразных электродов 8, 9, 10, 11 выходные емкости соответствующих электродов постоянны и имеют максимальные значения, что позволяет грубо, но однозначно определить угловое положение стрелочного указателя. При движении стрелки в окрестностях радиального паза, разделяющего эти электроды, емкость одного электрода будет уменьшаться, а другого увеличиваться.When arrow 6 is located in the area of one of the arcuate electrodes 8, 9, 10, 11, the output capacitances of the corresponding electrodes are constant and have maximum values, which makes it possible to roughly, unequivocally determine the angular position of the arrow pointer. When the arrow moves in the vicinity of the radial groove separating these electrodes, the capacitance of one electrode will decrease and the other will increase.

В зоне неподвижных электродов 12, 13 и 14, 15 находится часть стрелки 6 и ее хвостовик 7.In the area of the stationary electrodes 12, 13 and 14, 15 is part of the arrow 6 and its shank 7.

Форма паза между электродами 12 и 13 такова, что площади перекрытия неподвижных электродов 12, 13 и стрелки 6 с хвостовой частью 7 при ее движении в одну сторону изменяются синусоидально и дифференциально относительно друг друга, при этом выходные емкости электродов 12, 13 также будут изменяться дифференциально и синусоидально.The shape of the groove between the electrodes 12 and 13 is such that the overlap areas of the stationary electrodes 12, 13 and arrows 6 with the tail part 7 when it moves in one direction change sinusoidally and differentially with respect to each other, while the output capacitances of the electrodes 12, 13 will also change differentially and sinusoidal.

Форма паза между электродами 14 и 15 такова, что площади перекрытия неподвижных электродов 14, 15 и стрелки 6 с хвостовой частью 7 при ее движении в одну сторону изменяются косинусоидально и дифференциально относительно друг друга, при этом выходные емкости электродов 14, 15 также будут изменяться дифференциально и косинусоидально.The shape of the groove between the electrodes 14 and 15 is such that the overlap areas of the stationary electrodes 14, 15 and the arrow 6 with the tail part 7 when it moves in one direction change cosine and differentially relative to each other, while the output capacitances of the electrodes 14, 15 will also vary differentially and cosine.

Результаты экспериментального исследования опытного образца предлагаемого емкостного датчика углового положения стрелочного указателя (фиг. 1, 2) приведены на фиг. 3, где C₈, C₉, C₁₀, C₁₁ - зависимости изменения выходных емкостей между стрелкой 6 и неподвижными электродами 8, 9, 10, 11 соответственно; C₁₂, С₁₃, C₁₄, C₁₅ - зависимости изменения выходных емкостей между стрелкой 6, с хвостовиком 7, и неподвижными электродами 12, 13, 14, 15 соответственно, при изменении угла поворота стрелочного указателя от 0 до 360°.The results of an experimental study of the prototype of the proposed capacitive sensor for the angular position of the pointer (Fig. 1, 2) are shown in FIG. 3, where C ₈ , C ₉ , C ₁₀ , C ₁₁ are the dependences of the change in the output capacitance between the arrow 6 and the stationary electrodes 8, 9, 10, 11, respectively; C ₁₂ , C ₁₃ , C ₁₄ , C ₁₅ are the dependences of the change in the output capacitance between the arrow 6, with the shank 7, and the stationary electrodes 12, 13, 14, 15, respectively, with a change in the angle of rotation of the pointer from 0 to 360 °.

Применение в емкостном датчике для формирования выходной емкости в зоне неподвижных электродов 12, 13 и 14, 15 части стрелки 6 и ее хвостовика 7 увеличивает суммарную длину подвижного электрода, что приводит к увеличению чувствительности датчика. В тоже время зависимости C₁₂, C₁₃, C₁₄, C₁₅ (фиг. 3) изменяются в два периода за один оборот стрелки 6, что может привести к неоднозначности определения углового положения указателя. Для исключения неоднозначности и используются выходные емкости дугообразных электродов 8, 9, 10, 11.The use in the capacitive sensor to form the output capacitance in the area of the stationary electrodes 12, 13 and 14, 15 of the arrow 6 and its shank 7 increases the total length of the movable electrode, which leads to an increase in the sensitivity of the sensor. At the same time, the dependences C ₁₂ , C ₁₃ , C ₁₄ , C ₁₅ (Fig. 3) change in two periods for one revolution of arrow 6, which can lead to ambiguity in determining the angular position of the pointer. To avoid ambiguity, the output capacitances of the arc-shaped electrodes 8, 9, 10, 11 are used.

Выходная емкость между стрелкой 6 и дополнительным неподвижным электродом в виде концентрического кольца 5 (фиг. 1, 2) не зависит от угла поворота стрелки и может использоваться, как и в прототипе, для ввода поправки на изменение зазора между стрелкой и шкалой.The output capacitance between the arrow 6 and the additional stationary electrode in the form of a concentric ring 5 (Fig. 1, 2) does not depend on the angle of rotation of the arrow and can be used, as in the prototype, to enter corrections for changing the gap between the arrow and the scale.

Исследования показали, что предлагаемый емкостный датчик углового положения стрелочного указателя имеет достаточную чувствительность и может использоваться в приборах с круговой шкалой и стрелочным указателем, имеющим хвостовую часть.Studies have shown that the proposed capacitive sensor for the angular position of the pointer has sufficient sensitivity and can be used in devices with a dial and a pointer having a tail.

Предлагаемый емкостный датчик может найти применение в измерительных системах со стрелочными приборами и автоматическим сбором информации о значениях контролируемых величин.The proposed capacitive sensor can be used in measuring systems with dial gauges and automatic collection of information about the values of monitored values.

Claims

A capacitive sensor for the angular position of the pointer, containing the scale of the measuring device with fixed electrodes of conductive material deposited on it, electrically isolated from both the scale and other structural elements of the measuring device, and a pointer of conductive material, characterized in that the stationary electrodes represent a few concentric rings centered on the axis of rotation of the arrow, separated from each other by grooves, while the outer ring is divided for by grooves on the arcuate electrodes, the other two rings are divided by grooves into two parts, and the groove shapes are made with the possibility of differential, sinusoidal and cosine changes in capacitance between the arrow and each of the fixed electrodes.