CC BY
11
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
УДК 536.531
НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ КАЛИБРАТОРА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ «СОПРОТИВЛЕНИЕ-НАПРЯЖЕНИЕ»
ИСПОЛЬЗУЕМОГО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В ПРОЦЕССЕ ШЕВИНГОВАНИЯ-ПРИКАТЫВАНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС
А. А. Маликов, А.В. Сидоркин
Рассмотрены ключевые моменты конструкции калибратора преобразователя «сопротивление-напряжение»» используемого в составе системы непрерывного многоканального измерения и регистрации температуры вращающихся частей технологических систем. Уделено существенное внимание выбору типов элементов, используемых в конструкции калибратора.
Ключевые слова: измерение, преобразователь, 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.
На рис. 1 приведена электрическая принципиальная схема однока-нального двухкаскадного устройства, состоящего из преобразователя «сопротивление-напряжение» и масштабного усилителя [4]. При этом за основу принято конструктивное решение, описанное проф. В.С. Гутниковым в своей книге [5].
Таким образом, для проведения измерений, связанных с определением температурных характеристик интересующего авторов процесса, необходимо осуществлять преобразование тепловой энергии (возникающей, в процессе механической обработки) в электрическую (напряжение). Оп-
340
тимальным будет являться такой процесс преобразования, который осуществляется по линейному или максимально близкому к нему закону. Для установления характера и степени соответствия линейной зависимости фактической картины процесса преобразования и служит процедура тарировки преобразователя.
В процесс рассматриваемого преобразования могут быть внесены погрешности, связанные с нелинейными искажениями, обусловленными как работой самого термометра сопротивления, так и собственно преобразователя. Следует отметить, что нелинейность градуировочной характеристики термометров сопротивления (в частности, платиновых) в диапазоне температур от 0 до 300 оС настолько мала, что может при измерениях средней степени точности вообще не рассматриваться [6]. Кроме этого, необходимо учитывать также, что передаточная характеристика описываемого нами устройства (рис. 1), является идеально линейной только теоретически [4]. На практике же любое электронное устройство (в частности, операционный усилитель) вносит в тракт преобразования и усиления нелинейные искажения, величина которых, впрочем, для рассматриваемой схемы при надлежащем функционировании всех ее элементов пренебрежимо мала.
Рис. 1. Схема преобразователя «сопротивление-напряжение» с масштабным усилителем
Следует учитывать также и погрешности, возникающие в процессе самой тарировки измерительной системы, возникающие из-за неточностей, вносимых вспомогательными средствам калибровки и измерения: калибратором сопротивлений и цифровым вольтметром.
Рассмотрим конструкцию специального калибратора (рис. 2), который позволит построить реальную тарировочную характеристику рассматриваемого устройства в координатах ^вх - ивых, а также оценить величину нелинейности (статической погрешности преобразования) устройства. Та-рировочная характеристика при этом примет вид, аналогичный прямой, показанной на рис. 3 [7].
Необходимо сказать о том, что тарируемое устройство, в основном, воспринимает медленноменяющиеся сигналы, поэтому линейность его статической характеристики уже сама по себе является достаточным показателем качества работы.
Приведем на рис. 2 электрическую принципиальную схему блока калибратора для одноканального преобразователя. Следует заметить, что калибратор может быть выполнен как в виде автономного блока, так и во встроенном (в преобразователь) исполнении.
В первом случае с помощью разъема XI калибратор подключается ко входным цепям преобразователя и имитирует работу термометра сопротивления в нескольких характерных точках. Количество таких точек должно быть не менее двух. Причем, первая точка должна соответствовать значению сопротивления термометра Я^ач при температуре, скажем 1=0 0С, а последняя - при некоторой температуре, сопоставимой с максимально измеряемой (для данного конкретного случая). Авторы рекомендуют варьировать количество точек калибровки устройства от двух (минимально возможное число) до шести (число точек, вполне достаточное, для построения нормальной тарировочной характеристики устройства).
Рис. 2. Схема блока калибратора
Во втором случае (рис. 3) подвижный контакт переключателя БА1 и общая точка соединения всех калибрующих резисторов непосредственно подключены к преобразователю «сопротивление-напряжение» ВА1, а термометр сопротивления Ш1 через разъем Х1 соединен с одним из неподвижных контактов переключателя БА1. Очевидно, что при такой схеме включения на пяти позициях переключателя будет производиться калибровка преобразователя, а на одной (например, последней) - измерение температуры.
В случае необходимости построения многоканального преобразователя может быть рекомендовано изготовление отдельного калибратора на каждый канал измерения. При этом входы каналов, не задействованных в данный момент времени в процессе калибровки, необходимо зашунтиро-вать внешними резисторами. Это объясняется следующей причиной. Из схемы, представленной на рис. 1 видно, что термометр сопротивления включается в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя DA1. В случае разрыва этой цепи, коэффициент усиления DA1 становится максимально возможным, а сам он переходит в режим перегрузки. При этом, напряжение на входе микросхемы DA2 приближается к напряжению источника питания -ип, что также приводит к перегрузке DA2. Хотя операционные усилители предлагаемого типа (140УД7) имеют встроенную защиту от перегрузок по входу и выходу, не рекомендуется использовать данные микросхемы в рассматриваемых режимах.
Рис. 3. Схема встроенного калибратора
Одним из вариантов выхода из сложившегося положения может считаться установка в цепь питания каждого канала отдельного выключателя - двухполюсного тумблера, разрывающего цепи питания +ип и -ип. Однако такое решение, по мнению авторов, тоже нельзя считать оптимальным, так как любое электронное устройство после включение питания требует некоторого времени, затрачиваемого на самопрогрев. За это время вследствие изменения тепловых режимов работы как активных, так и пассивных радиоэлектронных компонентов устанавливается стабильный режим работы как отдельных элементов, так и устройства в целом. В случае же многократной коммутации цепей питания с постоянным чередованием циклов «включено-выключено», характерной для процедуры последовательно калибровки каналов многоканального устройства, высоких метрологических параметров устройства в целом добиться будет, увы, невозможно.
Поэтому приведенную выше рекомендацию об использовании отдельного калибратора, включенного в каждый канал измерения, несмотря на увеличение сложности, трудоемкости и себестоимости изготовления устройства, можно считать вполне оправданной. Следует заметить, что при реализации подобной схемы, управление всеми калибраторами может осуществляться от одного переключателя. При использовании, скажем, отечественного переключателя типа ПГ2-12-6П8Н с резисторами, включенными по схемам «шесть калибровочных точек» или «пять точек плюс один датчик», можно осуществлять тарировку восьмиканального преобразователя, что на практике оказывается вполне достаточным.
Необходимо сказать несколько слов о выборе типа переключателя калибровочных точек БЛ1. Как уже отмечалось выше, калибратор должен обеспечивать высокую стабильность и точность установки сопротивления, следовательно, контактная группа переключателя должна обладать минимальным и высокостабильным (по времени) переходным сопротивлением. Эти условия могут быть соблюдены при применении переключателей, контакты которых выполнены целиком или имеют гальванопокрытия из благородных металлов или их сплавов. Этому требованию в полной мере отвечает ряд переключателей, выпускающихся отечественной промышленностью, например, ПГ2, ПГ5, ПГ7, ПР2, ПГ43, а также широкий спектр изделий иностранного производства, например, выпускаемых фирмой «ОгауЫП». В таблице приведены основные технические характеристики ряда рассмотренных переключателей.
Основные технические характеристики некоторых маломощных
переключателей
Тип переключателя Сопротивление контакта не более, Ом Коммутируемый ток, А Коммутируемое напряжение, В Максимальная коммутируемая мощность, Вт Электрическая прочность изоляции, В Сопротивление изоляции, МОм Число коммутационных циклов
ПГ2, 5, 7 0,05 110-6 ... 0,5 0,01 ... 130 15 550 1000 7500
ПР2 0,05 110-6 ... 0,5 0,05 ... 36 18 350 1000 5000
ПГ43 0,06 110-6 ... 0,5 110-6 ... 127 10 500 1000 30000
ОгауЫП 56 БепеБ 0,001 110-6 ... 0,2 0,01...220 - 600 - 25000
Таким образом, представленные варианты конструкции калибратора при достаточной простоте реализации и хороших метрологических характеристиках могут быть успешно применены для тарировки преобразователя «сопротивление-напряжение», задействованного в процессе измерения температуры вращающегося объекта технологической системы - инструмента - шевера-прикатника.
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. 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. 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. 2016. Вып. 3. С.149 - 156.
4. Маликов А. А., Сидоркин А.В. Особенности реализации преобразователя «сопротивление-напряжение» для измерения и регистрации температуры в процессе шевингования-прикатывания цилиндрических зубчатых колес // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 7. Ч. 1. С. 43 - 48.
5. Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат 1988. 304 с.
6. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы: учебник для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Энергия, 1978. 704 с.
7. Маликов А. А., Сидоркин А.В. Некоторые аспекты расчета преобразователя «сопротивление-напряжение» для измерения и регистрации температуры в процессе шевингования-прикатывания цилиндрических зубчатых колес // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 11. Ч. 2. С. 3 - 10.
Маликов Андрей Андреевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, andrej-malikov@yandex.т, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Сидоркин Андрей Викторович, канд. техн. наук, доц., alan-a@mail.т, Россия, Тула, Тульский государственный университет
SOME FEATURES OF CONSTRUCTION TRANSFORMER CALIBRATOR «RESISTANCE-VOLTAGE» USED TO MEASURE TEMPERATURE DURING SHAVE-ROLLING OF CYLINDRICAL GEARS
A.A. Malikov, A. V. Sidorkin
The key points of the calibrator design converter "resistance-voltage " used as part of a multi-channel system continuously measure and record the temperature of the rotating parts of technological systems are considered. The considerable attention are paying to the choice of types of elements used in the construction of the calibrator.
Key words: measurement, transducer, resistance, resistor.
Malikov Andrey Andreevich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, andrei-malikovayandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Sidorkin Andrey Victrovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.314
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЛЬТОДОБАВОЧНОГО КАСКАДА ДЛЯ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
В.С. Климаш, А.С. Лавренов
Аналитическими соотношениями выявлены два способа регулирования инверторами многоуровневого напряжения вольтодобавочного каскада. Показана реализация этих способов на математической модели и экспериментальной установке.
Ключевые слова: вольтодобавочный каскад, многоуровневое регулирование напряжения, снижение потерь электроэнергии в сети, повышение качества напряжения у потребителей.
Вольтодобавочный каскад (ВДК) предназначен для быстрой и точной разгрузки систем энергоснабжения с одновременным поддержанием напряжения на заданном уровне у потребителей [1].
Структурная схема ВДК для трансформаторной подстанции (ТП) [2] представлена на рис. 1.
Эта схема содержит следующие элементы: СТ - силовой трансформатор подстанции; ВТ1 и ВТ2 - вольтодобавочные трансформаторы; ИН1 и ИН2 - блоки однофазных инверторов напряжения; ВДУ1 и ВДУ2 - два вольтодобавочных устройства, образующих ВДК; СУ - синхронизированная с сетью система управления инверторами напряжения; С и Н - трехфазная сеть и нагрузка.
