Самописец - Chart recorder

Самописец, входящий в состав полиграф

Самописец круговых диаграмм

А самописец является электромеханический устройство, которое записывает тенденцию электрического или механического входного сигнала на лист бумаги (диаграмму). Регистраторы диаграмм могут записывать несколько входных данных с помощью перьев разного цвета и могут записывать на ленточные или круговые диаграммы. Самописцы диаграмм могут быть полностью механическими с часовыми механизмами, электромеханическими с электрическим часовым механизмом для управления диаграммой (с механическими входами или входами давления) или полностью электронными без каких-либо механических компонентов (виртуальный самописец).

Регистраторы диаграмм построены в трех основных форматах. Самописцы с ленточными диаграммами имеют длинную полосу бумаги, которая выходит из самописца. Самописцы с круговыми диаграммами имеют вращающийся бумажный диск, который необходимо чаще заменять, но он более компактен и может быть закрыт за стеклом. Самописцы рулонных диаграмм похожи на самописцы ленточных диаграмм, за исключением того, что записанные данные хранятся на круглом рулоне, и устройство обычно полностью закрыто.

Графические самописцы, устаревшие электронные регистраторы данных которые заменили их во многих приложениях.

Происхождение

Чарльз Бэббидж включил самописец в динамометр который он построил в 1838 или 1839 году.^[1] Вот как он это описал: «Рулон бумаги длиной в тысячу футов медленно раскручивался на длинном столе ... Около дюжины ручек, соединенных мостом, пересекающим середину стола, постепенно отмечали свою собственную независимую кривую. или прыжками ... »Подача бумаги была привязана к колесам вагона, в то время как ручки фиксировали время, тягу тяги локомотива и многие другие переменные.

Часть Сэмюэл Морс Телеграфная система России представляла собой автоматический регистратор точек и тире кода, начертанных на бумажной ленте ручкой, перемещаемой электромагнитом, с часовым механизмом, продвигающим бумагу.^[2] В 1848-1850 годах систему таких регистров использовали Джон Локк для повышения точности астрономических наблюдений за звездами, обеспечивая гораздо большую точность времени, чем предыдущие методы. Этот метод был принят астрономами и в других странах. ^[3] Уильям Томсон, первый барон Кельвин с сифонный регистратор 1858 года был чувствительным прибором, который обеспечивал постоянную запись телеграфных сигналов через длинные подводные телеграфные кабели. Эти рекордеры стали называться регистры пера, хотя позже этот термин стал частью жаргона правоохранительных органов, относящегося к использованию такого реестра для записи набранных телефонных номеров.

Патент на «Индикатор и регистратор давления» был выдан Уильям Генри Бристоль 18 сентября 1888 г.^[4] В 1889 году в Бристоле была создана компания Bristol Manufacturing Company. Компания Bristol была приобретена Emerson Electric Company в марте 2006 г. и продолжает производить ряд различных электромеханических самописцев, а также другие приборы, измерения и средства контроля.

Первый самописец для мониторинг окружающей среды был разработан американским изобретателем Дж. С. Стивенсом во время работы в Леупольд и Стивенс в Портленде, штат Орегон, и получил патент на эту конструкцию в 1915 году.^[5] Картографические самописцы по-прежнему используются в приложениях, где требуется мгновенная визуальная обратная связь или где у пользователей нет необходимости, возможности или технической возможности загружать и просматривать данные на компьютере, или где отсутствует электричество (например, в опасных зонах на масле. буровой или в дистанционных экологических исследованиях). Однако снижение стоимости регистраторов данных и требований к питанию позволяет им все чаще заменять самописцы, даже в тех случаях, когда питание от батареи является единственным вариантом.

Диаграмма привода

Диаграммные самописцы пульта управления водоочистной установки фиксируют расход воды на разных этапах процесса.

Бумажная диаграмма движется мимо пера с постоянной скоростью с помощью часового механизма или механизма электрического привода. Один из распространенных методов - использовать миниатюрную синхронный двигатель который вращается с постоянной скоростью, связанной с частота сети; зубчатая передача используется для продвижения бумаги. Промышленные ленточные самописцы могут иметь двухскоростные зубчатые передачи, которые позволяют использовать более высокую скорость для первоначальной настройки процесса или для отслеживания сбоев в процессе. Медицинские и научные регистраторы позволяют устанавливать широкий диапазон точно регулируемых скоростей.

Регистратор X-Y управляет диаграммой в зависимости от значения другого сигнала процесса. Например, универсальная испытательная машина может построить график зависимости силы натяжения образца от его длины. В зависимости от конкретного записывающего устройства перемещается либо бумажная диаграмма, либо каретка пера имеет две оси движения. Примеры x-y самописца относятся к 18 веку в виде диаграммы индикаторов пара используется для записи давления и объема в паровых двигателях.

Маркировочные механизмы

Самописец с круговой диаграммой, отслеживающий температуру в здании

Для маркировки бумаги было принято много механизмов. В телеграфном сифонный регистратор 1858 года тонкая капиллярная трубка соединена с резервуаром для чернил и отклоняется технологическим сигналом. В современных самописцах с ленточной диаграммой используется одноразовый картридж, в котором сочетаются ручка с волоконным наконечником и резервуар для чернил. В других типах записывающих устройств используется нагретый стилус и термочувствительная бумага, ударный принтер с лентой и электрически управляемым молотком, электрический сигнал, действующий через иглу на электрочувствительную бумагу, или электрическая искра, которая оставляет видимое пятно на алюминизированной бумаге. . В одном из видов чувствительного и высокоскоростного регистратора использовались лучи ультрафиолетового света, отраженные от зеркала. гальванометры, направленный на светочувствительную бумагу. ^[6]

Самые ранние инструменты получали способность перемещать перо непосредственно от воспринимаемого технологического сигнала, что ограничивало их чувствительность и скорость реакции. Трение между маркировочным устройством и бумагой снизило бы точность измерений. Инструменты с пневматическими, механическими или электромеханическими усилителями отделяют движение пера от измерения процесса, значительно повышая чувствительность инструмента и гибкость записывающего устройства. Ручки с прямым приводом часто двигались по дуге круга, что затрудняло чтение шкалы; На предварительно напечатанных таблицах нанесены криволинейные шкалы, которые компенсируют траекторию маркерного пера.^[7]

Гальванометрические приборы

Многие типы самописцев используют гальванометр управлять маркировочным устройством. Легкая катушка из проволоки, подвешенная в магнитном поле постоянного магнита, отклоняется пропорционально протекающему через него току; вместо указателя и шкалы измерителя прямого отсчета записывающее устройство отклоняет ручку или другое маркировочное устройство. Пишущий механизм может быть нагретой иглой для письма на термочувствительной бумаге или простым полым пером с подачей чернил. Если перо постоянно прижимается к бумаге, гальванометр должен быть достаточно сильным, чтобы перемещать перо против трения бумаги. Чтобы уменьшить нагрузку на гальванометр, перо можно было бы вместо этого только периодически прижимать к пишущему средству, чтобы произвести отпечаток, а затем перемещаться, пока давление снимается.^{[нужна цитата ]}

Там, где требуется большая чувствительность и скорость отклика, зеркальный гальванометр, может использоваться вместо этого для отклонения луча света, который может быть записан фотографически.

Осциллограф светового пучка

Другим типом бумажных самописцев был осциллограф светового луча. Его полоса пропускания составляла ~ 5 кГц (примерно в 100 раз выше, чем у типичных перьевых самописцев того времени). В оригинальных моделях использовалось небольшое зеркало, прикрепленное к гальванометр направить пучок света высокой интенсивности на светочувствительную бумагу. Сочетание крошечной массы зеркала в сочетании с приводом диаграммы, который может перемещать бумагу со скоростью до 120 дюймов (3000 мм) в секунду, обеспечило высокую пропускную способность и впечатляющее разрешение по оси времени. Более поздние модели заменили зеркало стационарной волоконно-оптической электронно-лучевой трубкой, которая находилась в непосредственном контакте с бумагой.

У этих рекордеров было несколько недостатков. Фоточувствительная бумага была очень дорогой и быстро выцветала при воздействии окружающего света. Высокая скорость диаграммы означала, что продолжительность тестирования была чрезвычайно короткой. Эти инструменты были предназначены для захвата краткосрочных событий, таких как НАСА запуски ракет в 1960-х годах и широкий спектр баллистических событий.

Потенциометрические (серво) инструменты

Аналоговые самописцы, использующие движение гальванометра для непосредственного управления пером, имеют ограниченную чувствительность. В записывающем устройстве потенциометрического типа прямой привод маркерного пера заменен на сервомеханизм где энергия для перемещения пера поступает от усилителя. Ручка с электроприводом предназначена для перемещения скользящего контакта потенциометр для передачи информации о положении пера на усилитель ошибки. Усилитель управляет двигателем таким образом, чтобы уменьшить ошибку между желаемым и фактическим положением пера до нуля. При наличии подходящего усилителя обработки сигналов такие приборы могут записывать широкий диапазон сигналов процесса. Однако инерция сервосистемы ограничивает скорость отклика, что делает эти инструменты наиболее полезными для сигналов, изменяющихся в течение секунды или более.^[8]

Цифровые самописцы

Современный самописец - это встроенная компьютерная система с аналого-цифровой преобразователь, а микроконтроллер, и устройство для печати на бумажных носителях; Такие инструменты обеспечивают большую гибкость в обработке сигналов, изменяют скорость графика при сбоях в процессе, а также могут передавать свои измерения в удаленные точки.

Одно из первых цифровых устройств было разработано Уильямом (Биллом) К. МакЭлроем-младшим, работающим в компании Dohrman Instrument Company в Санта-Кларе, Калифорния. До этого устройства большинство самописцев монтировались в стойку и имели один диапазон скорости и один диапазон чувствительности. Конструкция г-на МакЭлроя представляла собой настольное устройство с мгновенной загрузкой рулонов бумаги, в котором для преобразования сигнала использовалась интегральная схема прерывателя. Устройство имело подключаемые печатные платы, подключаемые одно- или многодиапазонные модули и подключаемые односкоростные или многоскоростные модули. Чувствительность рекордера составляла от 1 микровольта до 100 вольт полной шкалы, что в то время было первым в отрасли. Г-н МакЭлрой также участвовал в разработке и изготовлении газового хроматографа, который использовался для анализа образцов грязи и горных пород после высадки на Луну в 1969 году. ^[9]