Самописец — это электромеханическое устройство, которое записывает электрическую или механическую входную тенденцию на листе бумаги (диаграмме). Самописцы могут записывать несколько входов с помощью разноцветных ручек и могут записывать на ленточные или круговые диаграммы. Самописцы могут быть полностью механическими с часовым механизмом, электромеханическими с электрическим часовым механизмом для управления диаграммой (с механическими или нажимными входами) или полностью электронными без каких-либо механических компонентов (виртуальный самописец).
Диаграммные самописцы выпускаются в трех основных форматах. Ленточные самописцы имеют длинную полосу бумаги, которая выталкивается из самописца. Круговые самописцы имеют вращающийся диск бумаги, который необходимо заменять чаще, но они более компактны и подходят для помещения под стекло. Рулонные самописцы похожи на ленточные самописцы, за исключением того, что записанные данные хранятся на круглом рулоне, а само устройство обычно полностью закрыто.
Самописцы появились раньше электронных регистраторов данных , которые заменили их во многих приложениях.
Чарльз Бэббидж встроил самописец в динамометрическую машину , которую он построил в 1838 или 1839 году. [1] Вот как он это описал: «Рулон бумаги длиной в тысячу футов медленно разматывался на длинном столе... Около дюжины перьев, соединенных с мостом, пересекающим середину стола, постепенно или скачками описывали каждая свою собственную независимую кривую...» Подача бумаги была связана с колесами железнодорожного вагона, в то время как перья регистрировали время, тяговое усилие локомотива и множество других переменных.
Частью телеграфной системы Сэмюэля Морзе был автоматический регистратор точек и тире кода, записанного на бумажной ленте пером, перемещаемым электромагнитом, с часовым механизмом, продвигающим бумагу. [2] В 1848-1850 годах система таких регистров использовалась Джоном Локком для повышения точности астрономических наблюдений за звездами, обеспечивая точность определения времени, намного большую, чем предыдущие методы. Этот метод был принят астрономами и в других странах. [3] Сифонный регистратор Уильяма Томсона, 1-го барона Кельвина 1858 года был чувствительным прибором, который обеспечивал постоянную запись телеграфных сигналов через длинные подводные телеграфные кабели. Эти регистраторы стали называться перьевыми регистрами , хотя этот термин позже стал частью жаргона правоохранительных органов, относящегося к использованию такого регистра для записи набранных телефонных номеров.
Патент на «Индикатор и регистратор давления» был выдан Уильяму Генри Бристолю 18 сентября 1888 года. [4] В 1889 году Бристоль основал компанию Bristol Manufacturing Company. В марте 2006 года компания Bristol была приобретена компанией Emerson Electric Company и продолжает производить ряд различных электромеханических самописцев, а также другие приборы, средства измерения и контроля.
Первый регистратор диаграмм для мониторинга окружающей среды был разработан американским изобретателем Дж. К. Стивенсом во время работы в Leupold & Stevens в Портленде, штат Орегон, и получил патент на эту конструкцию в 1915 году. [5] Регистраторы диаграмм до сих пор 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 электропитание (например, в опасных зонах на нефтяной вышке или при удаленных экологических исследованиях). Однако снижение стоимости и требований к питанию регистраторов данных позволяет им все чаще заменять регистраторы диаграмм, даже в ситуациях, когда питание от батареи является единственным вариантом.
Бумажная диаграмма движется мимо ручки с постоянной скоростью с помощью часового механизма или электрического приводного механизма. Одним из распространенных методов является использование миниатюрного синхронного двигателя , который вращается с постоянной скоростью, связанной с частотой питания ; зубчатая передача используется для приведения бумаги в движение. Промышленные ленточные самописцы могут иметь двухскоростные зубчатые передачи, которые позволяют использовать более высокую скорость для начальных настроек процесса или для отслеживания сбоев процесса. Медицинские и научные самописцы позволяют устанавливать широкий диапазон точно контролируемых скоростей.
Регистратор "XY" управляет диаграммой в зависимости от значения другого технологического сигнала. Например, универсальная испытательная машина может строить график силы натяжения образца в зависимости от его длины. В зависимости от конкретного регистратора либо перемещается бумажная диаграмма, либо каретка пера имеет две оси движения. Примеры регистратора xy относятся к 18 веку в виде диаграмм индикатора пара, используемых для записи давления и объема в паровых двигателях.
Для маркировки бумаги было принято множество механизмов. В телеграфном сифонном самописце 1858 года тонкая капиллярная трубка была соединена с резервуаром для чернил и отклонялась сигналом процесса. В современных ленточных самописцах использовался одноразовый картридж, объединяющий как ручку с волоконным наконечником, так и резервуар для чернил. Другие типы самописцев используют нагретый стилус и термочувствительную бумагу, ударный принтер, использующий ленту и электрический молоток, электрический сигнал, действующий через стилус на электрочувствительную бумагу, или электрическую искру, которая оставляет видимое пятно на алюминизированной бумаге. Одна из форм чувствительного и высокоскоростного самописца использовала лучи ультрафиолетового света, отраженные от зеркальных гальванометров , направленные на светочувствительную бумагу. [6]
Самые ранние приборы получали энергию для перемещения пера непосредственно от считываемого сигнала процесса, что ограничивало их чувствительность и скорость реакции. Трение между маркировочным устройством и бумагой снижало точность измерений. Приборы с пневматическими, механическими или электромеханическими усилителями отделяли движение пера от измерения процесса, значительно увеличивая чувствительность прибора и гибкость регистратора. Перья с прямым приводом часто двигались по дуге окружности, что затрудняло чтение шкалы; предварительно напечатанные диаграммы имеют криволинейные шкалы, напечатанные на них, которые компенсировали путь маркировочного пера. [7]
Во многих типах самописцев для управления маркировочным устройством используется гальванометр . Легкая проволочная катушка, подвешенная в магнитном поле постоянного магнита, отклоняется пропорционально току, проходящему через нее; вместо указателя и шкалы счетчика с прямым считыванием самописец отклоняет ручку или другое маркировочное устройство. Пишущий механизм может представлять собой нагретую иглу, пишущую на термочувствительной бумаге, или простую полую ручку с чернилами. Если ручка непрерывно прижимается к бумаге, гальванометр должен быть достаточно сильным, чтобы перемещать ручку против трения бумаги. Чтобы уменьшить нагрузку на гальванометр, ручка может вместо этого только периодически прижиматься к пишущему средству, чтобы сделать отпечаток, а затем двигаться, пока давление снимается. [ необходима цитата ]
Там, где требуется большая чувствительность и скорость реакции , можно использовать зеркальный гальванометр , отклоняющий луч света, который можно зарегистрировать фотографически.
Другим типом бумажного самописца был осциллограф со световым лучом . Он имел полосу пропускания ~5 кГц полной шкалы (примерно в 100 раз выше, чем типичные перьевые самописцы того времени). Первоначальные модели использовали небольшое зеркало, прикрепленное к гальванометру, чтобы направить луч света высокой интенсивности на светочувствительную бумагу. Сочетание крошечной массы зеркала в сочетании с приводом диаграммы, который мог перемещать бумагу до 120 дюймов (3000 мм) в секунду, обеспечивало высокую полосу пропускания и впечатляющее разрешение по оси времени. Более поздние модели заменили зеркало стационарной волоконно-оптической электронно-лучевой трубкой, которая находилась в прямом контакте с бумагой.
У этих регистраторов было несколько недостатков. Фоточувствительная бумага была очень дорогой и быстро выцветала под воздействием окружающего света. Высокая скорость записи диаграммы означала, что длительность испытаний была чрезвычайно короткой. Эти приборы предназначались для регистрации кратковременных событий, таких как запуски ракет NASA в 1960-х годах и широкий спектр баллистических событий.
Аналоговые самописцы, использующие гальванометрическое движение для прямого управления ручкой, имеют ограниченную чувствительность. В самописце потенциометрического типа прямой привод маркировочной ручки заменен сервомеханизмом, в котором энергия для перемещения ручки подается усилителем. Моторизованная ручка предназначена для перемещения скользящего контакта потенциометра для обратной связи положения ручки с усилителем ошибки. Усилитель управляет двигателем таким образом, чтобы уменьшить ошибку между желаемым и фактическим положением ручки до нуля. С подходящим усилителем обработки сигнала такие приборы могут регистрировать широкий диапазон технологических сигналов. Однако инерция сервосистемы ограничивает скорость отклика, что делает эти приборы наиболее полезными для сигналов, изменяющихся в течение секунды или более. [8]
Современный самописец представляет собой встроенную компьютерную систему с аналого-цифровым преобразователем , микроконтроллером и устройством печати на бумажных носителях; такие приборы обеспечивают большую гибкость в обработке сигналов, изменяют скорость записи диаграммы при сбоях в процессе, а также могут передавать результаты своих измерений в удаленные точки.
Одно из первых цифровых устройств было разработано Уильямом (Биллом) С. МакЭлроем-младшим, работавшим в компании Dohrman Instrument Company в Санта-Кларе, Калифорния . До этого устройства большинство самописцев монтировались в стойку и имели одну скорость и один диапазон чувствительности. Конструкция МакЭлроя представляла собой настольное устройство с мгновенной загрузкой рулона бумаги, использующее интегральную схему прерывателя для преобразования сигнала. Устройство имело вставные печатные платы, вставные одно- или многодиапазонные модули и вставные одно- или многоскоростные модули. Чувствительность самописца составляла от 1 микровольта до 100 вольт полной шкалы, что в то время было первым в отрасли. МакЭлрой также помогал в проектировании и сборке газового хроматографа, который использовался для анализа образцов грязи и горных пород с лунной посадки Аполлона-11 в 1969 году . [9]
