Диаграммный самописец — это электромеханическое устройство, которое записывает тренд электрических или механических входных сигналов на лист бумаги (диаграмму). Диаграммные самописцы могут записывать несколько входных данных с помощью ручек разного цвета и могут записывать на ленточные или круглые диаграммы. Самописцы могут быть полностью механическими с часовым механизмом, электромеханическими с электрическим часовым механизмом для привода диаграммы (с механическими входами или входами давления) или полностью электронными, вообще без механических компонентов (виртуальный самописец).
Самописцы построены в трех основных форматах. Ленточные самописцы имеют длинную полоску бумаги, которая выбрасывается из самописца. Самописцы с круглыми диаграммами имеют вращающийся бумажный диск, который необходимо заменять чаще, но они более компактны и их можно поместить за стекло. Самописцы с рулонными диаграммами аналогичны самописцам с ленточными диаграммами, за исключением того, что записанные данные хранятся на круглом рулоне, а 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... О дюжина ручек, соединенных мостом, пересекающим середину стола, постепенно или скачками отмечала свою независимую кривую...» Подача бумаги была привязана к колесам железнодорожного вагона, а ручки записывали время, тягу дышла локомотив и множество других переменных.
Частью телеграфной системы Сэмюэля Морзе был автоматический регистратор точек и тире кода, записываемого на бумажную ленту ручкой, приводившейся в движение 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 синхронизации, гораздо большую, чем предыдущие методы. Этот метод был принят астрономами и в других странах. [3] Уильям Томсон, 1-й барон Кельвин. Сифонный самописец 1858 года представлял собой чувствительный прибор, который обеспечивал постоянную запись телеграфных сигналов по длинным подводным телеграфным кабелям. Эти записывающие устройства стали называть перьевыми регистраторами , хотя позже этот термин стал частью жаргона правоохранительных органов, обозначая использование 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 Bristol Manufacturing Company. В марте 2006 года компания Bristol была приобретена Emerson Electric Company. и продолжает производить ряд различных электромеханических самописцев, а также другие приборы, измерительные приборы и контрольно-измерительные приборы.
Первый диаграммный самописец для мониторинга окружающей среды был разработан американским изобретателем Дж. К. Стивенсом во время работы в компании Leupold & Stevens в Портленде, штат Орегон, и в 1915 году на эту конструкцию был выдан патент. [5] Диаграммные самописцы до сих пор используются в приложениях, где требуется мгновенная визуальная обратная связь. требуется или там, где у пользователей нет необходимости, возможности или технической возможности загружать и просматривать данные на компьютере, или там, где отсутствует электроэнергия (например, в опасных зонах на нефтяной вышке или при удаленных экологических исследованиях). Однако снижение стоимости и требований к мощности регистраторов данных позволяет им все чаще заменять самописцы даже в тех ситуациях, когда питание от батареи является единственным вариантом.
Бумажная диаграмма движется мимо пера с постоянной скоростью с помощью часового или электрического приводного механизма. Одним из распространенных методов является использование миниатюрного синхронного двигателя , который вращается с постоянной скоростью, зависящей от частоты сети ; для продвижения бумаги используется зубчатая передача. Промышленные ленточные самописцы могут иметь двухскоростные зубчатые передачи, которые позволяют использовать более высокую скорость для первоначальной корректировки процесса или для отслеживания сбоев в процессе. Медицинские и научные регистраторы позволяют устанавливать широкий диапазон точно контролируемых скоростей.
Регистратор «XY» отображает диаграмму в зависимости от значения другого сигнала процесса. Например, универсальная испытательная машина может отображать зависимость силы натяжения образца от его длины. В зависимости от конкретного самописца перемещается либо бумажная карта, либо каретка пера имеет две оси движения. Примеры самописцев XY относятся к 18 веку и представляют собой диаграммы индикатора пара , используемые для регистрации давления и объема в паровых машинах.
Для маркировки бумаги было принято множество механизмов. В телеграфном сифонном самописце 1858 года тонкая капиллярная трубка соединена с резервуаром с чернилами и отклоняется под действием технологического сигнала. В современных ленточных самописцах используется одноразовый картридж, сочетающий в себе ручку с волоконным наконечником и резервуар с чернилами. В других типах самописцев используются нагретый стилус и термочувствительная бумага, ударный принтер с лентой и электрическим молотком, электрический сигнал, воздействующий через стилус на электрочувствительную бумагу, или электрическая искра, которая создает видимое пятно на алюминизированной бумаге. . В одной из форм чувствительных и высокоскоростных самописцев использовались лучи ультрафиолетового света, отраженные от зеркальных гальванометров , направленные на светочувствительную бумагу. [6]
Самые ранние инструменты получали возможность перемещать перо непосредственно от воспринимаемого технологического сигнала, что ограничивало их чувствительность и скорость реакции. Трение между маркировочным устройством и бумагой может снизить точность измерений. Приборы с пневматическими, механическими или электромеханическими усилителями отделяли движение пера от измерения процесса, что значительно повышало чувствительность прибора и гибкость самописца. Ручки с прямым приводом часто двигались по дуге круга, что затрудняло чтение шкалы; на предварительно распечатанных диаграммах напечатаны криволинейные шкалы, компенсирующие путь маркировочного пера. [7]
Во многих типах диаграммных самописцев для привода маркировочного устройства используется гальванометр . Легкая катушка с проводом, подвешенная в магнитном поле постоянного магнита, отклоняется пропорционально протекающему через нее току; вместо указателя и шкалы счетчика прямого отсчета 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 перо постоянно прижимается к бумаге, гальванометр должен быть достаточно сильным, чтобы перемещать перо, преодолевая трение бумаги. Чтобы уменьшить нагрузку на гальванометр, перо можно вместо этого лишь периодически прижимать к пишущему средству, чтобы произвести отпечаток, а затем двигаться, пока давление сбрасывается. [ нужна цитата ]
Там, где требуется большая чувствительность и скорость реакции , вместо этого можно использовать зеркальный гальванометр для отклонения луча света, который можно зарегистрировать фотографически.
Другим типом бумажного самописца был осциллограф со световым лучом . Полная 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 гальванометру , чтобы направить луч света высокой интенсивности на светочувствительную бумагу. Сочетание крошечной массы зеркала и диаграммного привода, который мог перемещать бумагу со скоростью до 120 дюймов (3000 мм) в секунду, обеспечивало высокую пропускную способность и впечатляющее разрешение по временной оси. В более поздних моделях зеркало заменили стационарной волоконно-оптической электронно-лучевой трубкой, которая находилась в прямом контакте с бумагой.
Эти записывающие устройства имели несколько недостатков. Светочувствительная бумага была очень дорогой и быстро выцветала под воздействием окружающего света. Высокая скорость диаграммы означала, что продолжительность испытаний была чрезвычайно короткой. Эти инструменты были предназначены для регистрации кратковременных событий, таких как запуски ракет НАСА в 1960-х годах, а также широкого спектра баллистических событий.
Аналоговые самописцы, использующие гальванометрический механизм для прямого привода ручки, имеют ограниченную чувствительность. В самописцах потенциометрического типа прямой привод маркировочного пера заменен сервомеханизмом, в котором энергия для перемещения пера подается усилителем. Перо с приводом от двигателя выполнено с возможностью перемещения скользящего контакта потенциометра для передачи информации о положении пера усилителю ошибки. Усилитель управляет двигателем в таком прямом направлении, чтобы свести ошибку между желаемым и фактическим положением ручки до нуля. При наличии подходящего усилителя обработки сигналов такие приборы могут записывать широкий спектр технологических сигналов. Однако инерция сервосистемы ограничивает скорость реакции, что делает эти инструменты наиболее полезными для сигналов, изменяющихся в течение секунды или более. [8]
Современный диаграммный самописец представляет собой встроенную компьютерную систему с аналого-цифровым преобразователем , микроконтроллером и устройством печати на бумажном носителе; такие инструменты обеспечивают большую гибкость в обработке сигналов, изменяют скорость диаграммы 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, работавшим в компании Dohrman Instrument Company в Санта-Кларе, Калифорния . До этого устройства большинство диаграммных самописцев монтировались в стойку и имели одну скорость и один диапазон чувствительности. МакЭлрой разработал настольное устройство для мгновенной загрузки рулонов бумаги, использующее интегральную схему прерывателя для преобразования сигнала. Устройство имело подключаемые печатные платы, подключаемые одно- или многодиапазонные модули, а также подключаемые одно- или многоскоростные модули. Чувствительность регистратора составляла от 1 микровольта до 100 вольт полной шкалы, что на тот момент было первым в отрасли. МакЭлрой также участвовал в разработке и изготовлении газового хроматографа, который использовался для анализа образцов грязи и горных пород после посадки на Луну Аполлона-11 в 1969 году . [9]
