CC BY
15
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
УДК 536.531
ОСОБЕННОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ «СОПРОТИВЛЕНИЕ - НАПРЯЖЕНИЕ» ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ
И РЕГИСТРАЦИИ ТЕМПЕРАТУРЫ В ПРОЦЕССЕ ШЕВИНГОВАНИЯ-ПРИКАТЫВАНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ
ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС
A.A. Маликов, A.B. Сидоркин
Рассмотрены практические аспекты построения и реализации преобразователя «сопротивление - напряжение», используемого в составе измерительной системы, предназначенной для непрерывного многоканального измерения и регистрации температуры вращающихся частей технологических систем. Уделено существенное внимание совершенствованию описанной ранее схемы преобразователя и устранению присущих ей недостатков.
Ключевые слова: измерение, регистрация, температура, сопротивление, напряжение, термометр сопротивления, операционный усилитель.
Для осуществления процесса измерения температуры вращающегося объекта технологической системы - инструмента - шевера-прикатника, подробно рассмотренного в статьях [1 - 3], в состав измерительной системы, помимо собственно объекта измерения и установленных на нем термометров сопротивления, вводятся преобразователь «сопротивление-напряжение» и аналогово-цифровой преобразователь, сопряженный с ПЭВМ посредством интерфейса USB - USB-осциллограф. При этом конструкция преобразователя «сопротивление - напряжение» имеет ряд особенностей, рассмотрению сущностных аспектов которых и посвящена настоящая статья.
Проф. B.C. Гутников в своей книге [4] рассмотрел целый спектр различных конструкций преобразователей данного типа. По мнению авторов, наибольшего внимания заслуживает схема преобразователя с компенсацией начального значения преобразуемого сопротивления. Так как, при преобразовании величины приращения сопротивления ARt чувствительно-
43
го элемента термометра сопротивления в напряжение постоянного тока Д£/, пропорционального приращению величины измеряемой температуры At, отсчет удобно вести относительно некоторого начального значения Я^нач, соответствующего значению начальной температуры ¿нач, равной, допустим, О °С.
Рассмотрим устройство данной схемы (рис. 1). Измерительный преобразователь, например, термометр сопротивления, может быть включен как по четырехпроводной, так и по двухпроводной схемам (в последнем случае погрешность измерения оказывается несколько выше, но она не будет являться существенной при небольшой длине соединительных проводов, а также их достаточном поперечном сечении). Для обеспечения компенсации начального значения сопротивления на неинвертирующий вход операционного усилителя подается часть опорного напряжения снимаемого с делителя, построенного на резисторах Я2-Я3. Здесь сопротивления проводов г2 и г3 входят в прямую цепь усилителя, охваченную глубокой отрицательной обратной связью, поэтому их влияние на выходное напряжение пренебрежимо мало. Сопротивление г7 несколько увеличивает входное сопротивление преобразователя, что является несущественным, если последующая цепь имеет высокое входное сопротивление. Сопротивление провода г4, включается последовательно с Я1 и может повлиять на величину выходного напряжения преобразователя. Однако при соблюдении условий, оговоренных выше, величиной г4 можно также пренебречь.
Рис. 1. Схема преобразователя «сопротивление - напряжение»
В общем случае линейная зависимость выходного напряжения преобразователя £/вых (В) от величины сопротивления термометра Я/ (Ом) будет выражаться как
и,
ис
вых
1 +
Ю Я2
(ю т Я2 + т
0)
Выбирая Ш достаточно большим (и соответственно этому увеличивая и о), так чтобы соблюдалось условие Я1»г4, можно существенно уменьшить погрешность, связанную с нестабильностью сопротивления г4. Соотношение сопротивлений К2 и КЗ, как уже отмечалось выше, определяется из условия равенства нулю выходного напряжения 11вЪ1Х при заданном начальном сопротивлении №=КНач.
В связи с тем, что при малых значениях величин электрического сопротивления, подключаемых к преобразователю датчиков, уровень его выходного напряжения достаточно мал, то, по мнению авторов, необходимым становится включение в состав преобразователя каскада масштабного усилителя, позволяющего кратно увеличить уровень полезного сигнала и существенно улучшить отношение «сигнал/пгум», для рассматриваемого варианта преобразователя. Кроме того, как видно из выражения (1), при инверсном включении операционного усилителя выходное напряжение будет варьироваться в отрицательной области по отношению к положительному приросту сопротивления, что не всегда удобно для его регистрации.
Приведенная на рис. 1 схема является несколько абстрактной, поэтому небесполезным являлась бы конкретизация ряда элементов, задействованных в ней. На рис. 2 приведена электрическая принципиальная схема одноканального двухкаскадного устройства, состоящего из преобразователя «сопротивление - напряжение» и масштабного усилителя.
М Х1
Рис. 2. Схема преобразователя «сопротивление - напряжение»
с масштабным усилителем
При последовательном включении двух операционных усилителей, работающих в инверсном режиме, выходное напряжение ивых будет положительно и практически линейно возрастать при приросте величины сопротивления ^
Согласно общепринятым рекомендациям [4] сопротивление входного резистора Я4 масштабного усилителя не должно быть меньше 1...2 кОм. Тогда для обеспечения коэффициента усиления, равного 10, сопротивление Я5 должно быть 10.20 кОм. Величины сопротивлений резисторов Я1, Я2 и Я3 могут быть определены расчетным путем.
Следует заметить, что рассмотренный проф. В. С. Гутниковым вариант делителя, базируемый на использовании на постоянных резисторов Я2-Я3 является несколько идеалистическим и в реальных конструкциях, к которым предъявляется жесткое требование обеспечения практически нулевого выходного напряжения ивых, при сопротивлении термометра, равного Я£нач, его реализация крайне затруднительна. Это объясняется тем, что подобрать реальные резисторы, соответствующие расчетным величинам Я2-Я3 с точностью до ±0,05 Ом крайне затруднительно и, при этом, весьма затратно.
Хотелось бы отметить, что для всех постоянных резисторов, используемых в предлагаемой конструкции, мощность рассеивания должна находиться в пределах 0,25.0,5 Вт, а для построечных - не менее 0,5 Вт при небольших значениях температурных коэффициентов сопротивления. Это необходимо для обеспечения достаточной термостабильности измерительной схемы.
Конденсаторы С1-С2 блокировочные, предназначены для подавления высокочастотных помех, которые могут проникнуть в измерительную схему по цепям питания. Рекомендуется использовать безындукционные керамические конденсаторы, емкостью 0,01.0,1 мкФ с номинальным напряжением не менее 15 В. Из отечественных конденсаторов можно порекомендовать К10-17, -23, -47, -48 и ряд других.
Для осуществления измерений средней степени точности в конструкции могут быть использованы отечественные операционные усилители (К)(КР)140УД7 либо их зарубежные аналоги, например, мА741. Они представляют собой усилители общего назначения с внутренней частотной коррекцией и защитой выхода от короткого замыкания. Кроме того, рассматриваемые микросхемы имеют дополнительные выводы, предназначенные для осуществления их точной балансировки [5]. Основные электрические параметры данных микросхем приведены, например, в справочнике [5].
Для ряда типов операционных усилителей, в частности, рассматриваемого авторами, при некоторых режимах работы (например, при ощутимом дисбалансе питающих напряжений, включению по схеме с большим коэффициентом усиления и ряде других) необходимым становится их дополнительная балансировка. Для этого в схему могут быть введены постоянные резисторы Я8 и Я9, номинальные сопротивления которых соответ-
ствуют резисторам Я4 и Я5, а также подстрочные резисторы Я6 и Я7, номинальное сопротивление которых определяются исходя из типов используемых микросхем, для рассматриваемого случая 10 кОм. При этом в схему может быть также включен переключатель БЛ1, обеспечивающий два режима работы устройства «Работа» и «Балансировка». В первом случае на вход ЭЛ1 подаются сигналы от термометра сопротивления и уравновешивающий потенциал, снимаемый с делителя Я2-Я3, во втором оба хода ЭЛ1 соединяются с нулем питания и цепочкой отрицательной обратной связи. Процедура балансировки операционных усилителей заключается в последовательной подстройке указанных резисторов с целью добиться величины напряжения, максимально близкой к нулю на выводах (6) микросхем ЭЛ1 и ОЛ2. При этом контроль указанных напряжений желательно проводить с помощью точного цифрового вольтметра. Выполнение данной процедуры при работе устройства от одного и того же источника питания при постоянных рабочих режимах может потребоваться лишь при его сборке и налаживании.
Авторами рекомендуется использование микросхем 140УД7, оформленных в металлостеклянные корпуса. Данные микросхемы выпускаются с «5-й» приемкой и их параметры отличаются достаточно высокой температурной и электрической стабильностью. В схеме, приведенной на рис. 2, указана нумерация выводов для микросхем (К)140УД7, оформленных в металлостеклянные корпуса. При этом другие типы корпусов отечественных и зарубежных микросхем могут иметь другую цоколевку.
Таким образом, для рассматриваемой конструкции зависимость выходного напряжения ивых от величины сопротивления термометра Я1 будет
и =■ и0
^ ОТ-IV
ГЯ3 ЯЛ
вых по
1 + Я3 Я2
• + ■ V Я2 Я1у
Я5
Я4
Представленная в настоящей статье схема преобразователя имеет кроме очевидных достоинств (линейная характеристика преобразования, компенсация начального значения преобразуемого сопротивления), также и ряд недостатков, которые могут быть устранены в ходе ее дальнейшего совершенствования.
Список литературы
1. Маликов А. А., Сидоркин А.В. Некоторые особенности практической реализации процесса дискретной регистрации температуры вращающихся частей технологических систем // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. Вып. 8. Ч. 2. С. 78 - 86.
2. Сидоркин А.В. Технологическая оснастка для измерения температуры в зоне обработки цилиндрических колес шевингованием-прикатыванием // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. Вып. 8. С. 68 - 73.
3. Маликов А. А., Сидоркин А.В. Особенности многоканального измерения и регистрации температуры в процессе шевингования-прикатывания цилиндрических зубчатых колес // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. Вып. 3. С. 149 - 156.
4. Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат, 1988. 304 с.
5. Аналоговые интегральные микросхемы: справочник / Б.П. Куд-ряшов, Ю.В. Назаров, Б.В. Тарабрин, В.А. Ушибаев. М.: Радио и связь, 1981. 160 с.
Маликов Андрей Андреевич, д-р. техн. наук, проф., зав. кафедрой, andrej-malikov@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Сидоркин Андрей Викторович, канд. техн. наук, инженер-исследователь, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
IMPLEMENTATION CONVERTER "RESISTANCE-VOLTAGE" FOR MEASURING AND RECORDING TEMPERATURES DURING SHAV-ROLLING OF CYLINDRICAL GEARS
A.A. Malikov, A.V. Sidorkin
We consider the practical aspects of construction and implementation of the converter "resistance-voltage" used as part of the measuring system for continuous multi-channel measuring and recording the temperature of the rotating parts of technological systems. Paid considerable attention to the improvement of the previously described converter circuit and eliminate the inherent drawbacks.
Key words: measurement, recording, temperature, resistance, voltage, resistance thermometer, an operational amplifier.
Malikov Andrey Andreevich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, andrej-malikov@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Sidorkin Andrey Victrovich, candidate of technical sciences, research engineer, alan-a@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
