CC BY
15
УДК 536.531
НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ РЕЗИСТИВНОГО ДЕЛИТЕЛЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ «СОПРОТИВЛЕНИЕ-НАПРЯЖЕНИЕ» ИСПОЛЬЗУЕМОГО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В ПРОЦЕССЕ ШЕВИНГОВАНИЯ-ПРИКАТЫВАНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС
А. А. Маликов, А.В. Сидоркин
Рассмотрены узловые моменты выбора конструкции и расчета резистивного делителя преобразователя «сопротивление—напряжение», используемого в составе устройства непрерывного многоканального измерения и регистрации температуры вращающихся частей технологических систем. Уделено существенное внимание процедуре подбора типов и номиналов элементов, задействованных в схеме делителя.
Ключевые слова: измерение, преобразователь, расчет, температура, сопротивление, резистор.
Для осуществления процесса измерения температуры вращающегося объекта технологической системы — инструмента — шевера-прикатника, подробно рассмотренного в статьях [1 — 3], в составе измерительной системы, помимо собственно объекта измерения и установленных на нем термометров сопротивления, присутствуют преобразователь «сопротивление-напряжение» и аналогово-цифровой преобразователь, сопряженный с ПЭВМ посредством интерфейса USB — USB-осциллограф. При этом расчет резистивного делителя преобразователя «сопротивление—напряжение» имеет ряд особенностей, рассмотрению сущностных аспектов которых и посвящена настоящая статья.
На рис. 1 приведена электрическая принципиальная схема однока-нального двухкаскадного устройства, состоящего из преобразователя «сопротивление—напряжение» и масштабного усилителя [4]. При этом за основу схемы принято конструктивное решение, описанное проф. В.С. Гут-никовым в своей книге [5].
Как отмечалось в статье [6], конструкция делителя R2-R3 (рис 2, а), базирующаяся на использовании двух постоянных резисторов [5], является нерациональной и может рассматриваться только для определения расчетных величин их сопротивлений.
Схема, представленная на рис. 1, и варианты реализации делителя для нее (рис. 2, б — д) в отличие от рассмотренной в [5] являются уже работоспособными. Как показывают расчеты, сопротивление резистора R2»R3, поэтому можно порекомендовать применять в качестве R3 подстроечный резистор, например, проволочный, обладающий небольшим номинальным
176
сопротивлением (не более 100 Ом). При этом для повышения электрической разрешающей способности резистор следует выбирать многооборотным.
Рис. 1. Схема преобразователя «сопротивление-напряжение»
с масштабным усилителем
Таковым критериям удовлетворяют, в частности, отечественные резисторы типа СП5-1, СП5-2, СП5-3, СП5-14, СП5-15, СП5-22, СП5-24 [7]. Ряд номинальных значений сопротивлений для резисторов СП5-1, -2, -3 начинается от 100 Ом, для СП5-2В, -3В, -2ВА, -2ВБ, -3ВА - от 3,3 Ом, для СП5-14, -15, 22, 24 - от 10 Ом.
Следует заметить, что для проволочных подстроечных резисторов характерным является такой параметр, как разрешающая способность, показывающий, при каком наименьшем изменении угла поворота подвижной системы может быть различимо изменение сопротивления резистора. Согласно справочным данным [7] для перечисленных выше моделей под-строечных резисторов разрешающая способность лежит в пределах 1%.
Авторы опытным путем установили, что для стабильной балансировки «нуля» рассматриваемого преобразователя необходимо обеспечивать точность подстройки резистивного делителя порядка 0,1 Ом.
Проведенные эксперименты показали, в частности, что для проволочных резисторов с номинальным сопротивлением 10 и 100 Ом фактическая разрешающая способность обладает несколько лучшими показателями, чем заявленная в справочнике [7], в то же время для аналогичных резисторов с сопротивлением, например, 22 Ома, она полностью соответствует справочным данным. Это легко объясняется тем, что в указанных резисторах используется проволока, изготавливаемая из различных материалов, имеющая различный диаметр (и, следовательно, площадь поперечного сечения), а главное, плотность навивки.
В различных источниках, в частности [7, 8], сообщается, что переменные и подстроечные резисторы, выполненные с непроволочным рези-стивным элементом, обладают практически неограниченной разрешающей
177
способностью. Эксперименты, проведенные авторами с резисторами типа СП3-37 с номинальным сопротивлением 100 Ом, показали, что их фактическая разрешающая способность не превышает идентичный показатель резистора СП5-1, имеющего то же номинальное сопротивление. По всей видимости, это объясняется уровнем качества изготовления каждого конкретного типа непроволочного резистора. Поэтому авторы не берутся однозначно утверждать о высокой эффективности применения непроволочных резисторов в рассматриваемой схеме, однако могут быть рекомендованы низкоомные непроволочные подстроечные резисторы, например РП1-48, с номинальным сопротивлением 10 Ом как альтернатива проволочным. Таким образом, для каждого случая применения альтернативного типа резистора в указанной схеме должна проводиться практическая проверка рассматриваемого параметра.
В качестве резистора Я2 выбирается постоянный резистор с номинальным сопротивлением Я2ном, близким к расчетному, определяемому в соответствии с зависимостью (7) [6].
При этом необходимо руководствоваться следующим условием:
Я2Шм + Я2П >Я2 + ЯЗ.
Для успешной реализации рассматриваемой схемы резистивного делителя необходимо, чтобы соблюдалось следующее соотношение:
Я3п > ЯЗ + 0,5ЛЯ2,
где Я3п - номинальное значение сопротивления построечного резистора (Ом); Я3 - расчетное значение сопротивления Я3 (Ом); ДЯ2 - допуск на величину сопротивления резистора Я2 (Ом).
Таким образом, результаты практического применения резистора СП5-1 с сопротивлением 100 Ом в качестве подстроечного Я3 в рассматриваемом варианте резистивного делителя, по мнению авторов, можно считать удовлетворительными.
Несмотря на то, что схема варианта делителя, представленная на рис. 2, в, содержит в своем составе дополнительный элемент - резистор Я3", она является более предпочтительной по сравнению с рассмотренной ранее. Это объясняется тем, что при тщательном подборе номиналов резисторов Я2 и Я311 (который может быть обеспечен выбором их из некоторой партии и измерением индивидуального сопротивления каждого образца с помощью точного омметра или мультиметра либо применением резисторов с более жесткими допусками) становится возможным существенно снизить величину сопротивления подстроечного резистора Я31, что при одинаковой величине разрешающей способности (для рассматриваемых типов резисторов - порядка 1%) открывает перспективу при использовании подстроечных резисторов с номинальным сопротивлением 10 Ом и менее гарантированного достижения ее абсолютной величины порядка 0,1 Ом и менее. А это, в свою очередь, позволит обеспечить стабильную (в том числе и в долгосрочном аспекте) работу всего узла преобразователя.
178
и0 И2
ЯЗ
К ОА1 —
и0 И2
ЯЗ
1
КйА1
и0
П2 № ИЗ"
К йА1
а Щ ♦
/?2
б
К ОА1 - "Точно
о I в
113' (13"
г д
Рис. 2. Варианты делителя напряжения Я2-Я3, построенного: а - на постоянных резисторах; б - с использованием постоянного и подстроенного резисторов; в - с использованием низкоомного подстроенного резистора и двух постоянных; г - с использованием двух подстроенных резисторов, включенных по схеме «грубо - точно», и постоянного; д - с использованием переменного двухсекционного
и постоянного резисторов
Если резисторы Я2 и Я3 не выбираются (по показаниям омметра) из партии (что, в наше время является характерным, особенно при розничном их приобретении), то для обеспечения гарантированной работоспособности схемы должен соблюдаться ряд условий. По справочнику, например [7], необходимо подобрать фактические номинальные значения сопротивлений указанных резисторов Я2ном и Я3" ном, а также установить величины допуска на них - ДЯ2ном и ДЯ3"ном (в %).
При этом фактические номинальные и расчетные значения сопротивлений должны удовлетворять неравенствам
Я2ном + 0,5ЛЯ2Ном ^ Я2 > Я2ном - 0,5ЛЯ2Шм;
Я3ном + 0,5ЛЯ3ном ^ Я3 > Я3ном - 0,5ЛЯ3ном.
179
Номинальное значение сопротивления подстроечного резистора Я31 (Ом) в данном случае должно быть
ЯЗ' > Я2ном + ЛЯЗ^ом. (1)
Рассматривая неравенство (1), становится очевидным, что удовлетворение условия (минимальной величины сопротивления Я3), направленного на повышение эффективности работы делителя, может быть достигнуто только за счет применения в схеме более точных постоянных резисторов, обладающих меньшими величинами допуска на сопротивление. При этом открывается также большая широта выбора значений номинальных сопротивлений за счет увеличения ширины соответствующего ряда по ГОСТ 28884-90 [9].
На рис. 2, г представлена классическая схема резистивного делителя, построенного по принципу «грубо-точно». Рассматриваемая схема лишена ряда недостатков, присущих предыдущей: необходимости использования точных, а, следовательно, достаточно дефицитных и дорогостоящих постоянных резисторов, либо проведения большого числа промеров с целью подобрать резисторы с нужным, близким к расчетному сопротивлением из некоторой партии.
В данной конструкции делителя в качестве резистора Я2 может быть использован не очень точный постоянный резистор, а в качестве грубого подстроечного резистора Я311 - радиоэлемент, номинальное сопротивление которого может быть достаточно большим. Однако авторы не рекомендуют злоупотреблять этой возможностью и ограничиться диапазоном сопротивлений до 1 кОм. Сопротивление же низкоомного подстроечного резистора Я31 может быть выбрано достаточно малым, но при этом в несколько раз превышающим значение разрешающей способности резистора Я31, например, 3,3...10 Ом. Тогда при аккуратной и точной настройке Я31 становится возможным использование в его качестве не многооборотного, а однооборотного подстроечного резистора, например СП5-16.
Опираясь на расчетные зависимости (6), (7) [6], подбирают близкое к расчетной величине сопротивление резистора Я2ном, затем производят грубую настройку делителя резистором Я31. При этом добиваются устойчивого значения сопротивления Я3"настр, определяемого как
Я3тастр = Я3 — 0,5Я3 ,
где Я3 - расчетное значение сопротивления разистора Я3 (Ом); Я31 - номинальное значение сопротивления подстроечного резистора (Ом).
Затем, установив движок резистора Я31 в среднее положение, производят точную настройку «нуля» преобразователя.
Пожалуй, рассматриваемая в данный момент схема по совокупности показателей является наиболее удачной из всех описанных выше.
На рис. 2, д представлена схема делителя, имеющего в своем составе специальный регулировочный резистор с высокой электрической разрешающей способностью. Хотя данный элемент является достаточно дефицитным и дорогостоящим, авторы не могли не заострить свое внимание на данной конструкции, что объясняется, в первую очередь, ее высокими точностными показателями. Например, резистор СП5-35 выпускаемый отечественной промышленностью, имеет электрическую разрешающую способность, по данным справочника [7], порядка 0,02 %, что в пятьдесят раз превышает аналогичный показатель для рассмотренных ранее типов резисторов. Резистор работает по «грубо-точной» схеме, имеет два рези-стивных элемента (с разным омическим сопротивлением), при этом обе его подвижные системы управляются от одного вала.
Может возникнуть закономерный вопрос, почему бы при такой высокой разрешающей способности не включить данный резистор напрямую в схему преобразователя в качестве делителя? Увы, как показывают результаты экспериментов, проведенных авторами, требуемую величину фактической разрешающей способности порядка 0,1 Ом можно наблюдать только у резисторов с сопротивлением до 470 Ом включительно. А, как показывают расчеты, проведенные по методике, изложенной выше, совокупное сопротивление резисторов Я2 и Я3, необходимое для корректной работы рассматриваемой схемы, как правило, превышает 1 кОм. Поэтому оптимальным, по мнению авторов, является использование указанной схемы с включением в нее регулировочного резистора сопротивлением до 220 Ом как дополнения к постоянному резистору.
Расчет рассматриваемой схемы делителя аналогичен той, что представлена на рис. 2, б. Поэтому здесь он не приводится.
Настройка делителя осуществляется поиском такого положения вала регулировочного резистора, при котором значение напряжения на выходе преобразователя при необходимой величине начального сопротивления термометра, равного Я^ач, будет чуть выше или ниже нуля. При такой регулировке сначала происходит поворот подвижной системы точного ре-зистивного элемента до упора, а затем поворот подвижной системы грубого резистивного элемента (с несколько большим усилием). Далее плавным вращением вала и подвижной системы точного резистивного элемента в обратном направлении добиваются достижения значения напряжения на выходе устройства, предельно близкого к нулю.
В качестве регулировочного резистора с высокой разрешающей способностью в рассматриваемой схеме может быть также использован многооборотный (например, десятиоборотный) резистор со спиральным элементом, в частности, отечественный резистор типа СП5-39А(Б) или СП5-44 либо аналогичный импортный. Указанные резисторы обладают от-
