Экспресс-метод и технические средства для определения качества передачи слаботочного электрического сигнала через кольцевые переходники

ЭНЕРГЕТИКА, ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ, ЭЛЕКТРОПРИВОД

УДК 621.3.047

ЭКСПРЕСС-МЕТОД И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАЧЕСТВА ПЕРЕДАЧИ СЛАБОТОЧНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СИГНАЛА ЧЕРЕЗ КОЛЬЦЕВЫЕ

ПЕРЕХОДНИКИ

А.В. Сидоркин

Рассмотрены практические аспекты построения экспресс-метода и выбора технических средств для определения качества передачи слаботочного электрического сигнала через различные типы кольцевых переходников. Сведения, приведенные в статье, позволят читателям выработать комплекс практических решений задачи оценки качества передачи электрического сигнала и уровня коммутационных помех, вносимых в него скользящими контактами.

Ключевые слова: кольцевой переходник, переходное сопротивление, сигнал, датчик, вращающейся объект, измерение.

Во многих случаях при проведении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ становится актуальной задача проведения различных измерений физических параметров, имеющих различную природу (температуру, величину сил, амплитуду вибрации и т.п.), на вращающихся технических объектах разнообразной конструкции, в частности элементах технологических систем (режущем и вспомогательном инструментах, оснастке).

Идеальным вариантом передачи электрического сигнала в таких случаях явлется тот, при котором передача осуществляется бесконтактно посредством радио или оптического канала. К сожалению, такие устройст-

115

ва, выпускаемые в основном зарубежной промышленностью, являются весьма дорогостоящими. При этом их массогабаритные параметры не всегда позволяют размещать их на вращающихся объектах. Указанных недостатков лишены токосъемные - кольцевые - переходники, осуществляющие прямую передачу электрического сигнала с вращающегося кольца на контактную щетку или наоборот, за счет чего в практике измерений они получили наибольшее распространение.

В связи с вышесказанным становится весьма важным вопрос об осуществления электрических контактных связей за счет построения различных токосъемных устройств. При этом главным аспектом данного вопроса является повышение качества передачи электрического сигнала и уменьшение величины коммутационных помех, вносимых в него скользящими контактами.

Перед определением окончательного варианта конструкции токосъемного узла все имеющиеся в распоряжении исследователя варианты контактных пар, используемых в кольцевых токосъемниках, должны быть подвергнуты испытаниям для снятия их контактных характеристик. Следует сказать, что для случая передачи через кольцевые переходники электрического сигнала, величина тока которого определяется температурой нагрева датчика - термометра сопротивления, важнейшим параметром, определяющим качество такой передачи служит величина мгновенного значения переходного сопротивления скользящего контакта Як, измеряемая в Омах. Этот параметр при вращении является быстроменяющимся, из-за чего он считается одним из факторов возникновения контактных шумов. Методам и средствам измерения шумов вращения посвящено огромное количество исследований отечественных и зарубежных ученых. По данной тематике опубликовано большое количество книг и статей. Существует соответствующий ГОСТ [1], содержащий рекомендации принципов построения измерительной аппаратуры и рассматривающий методы измерения шумов вращения. Использование данных методов, хотя и дает достаточно точный результат, но, в свою очередь, требует наличия дорогих и не часто встречающихся технических средств, что является не всегда оправданным, особенно при проведении исследований, не являющихся для данного направления профильными.

Автор предлагает недорогой простой и эффективный метод определения величины мгновенного значения переходного сопротивления скользящего контакта Як, позволяющий наблюдать изменение этого в динамике.

Базовым элементом измерительной системы является механизм, обеспечивающий возможность задания различных частот вращения объекта исследования - токосъемного кольца, установленного на изоляторе. В качестве такого механизма удобно использовать универсальный токарно-винторезный станок (например, модели 16К20). В состав рассматриваемой системы также входят: токосъемник, измерительный усилитель, ана-

логово-цифровой преобразователь, сопряженный с ПЭВМ посредством интерфейса ШВ, так называемый ШВ-осциллограф.

При этом измерительный усилитель и сигнальная цепь должны за-питываться от высокостабильного двуполярного источника питания, выдающего напряжения порядка ±12...15 В при токе нагрузки не менее

0,1 А на каждый канал и имеющего малый уровень пульсаций и высокочастотных помех.

Схема измерительной системы представлена на рис. 1, а ее общий вид - на рис. 2.

Рис. 1. Общая схема устройства измерительной системы:

1 - оправка для установки токосъемного кольца; 2 - токосъемное кольцо, установленное на изоляторе; 3 - блок токоподводящей и токосъемной контактных щеток; 4, 6 - экранированные измерительные кабели с разъемами; 5 - кабель и разъем питания;

7 - стандартный иЗБ-кабель с интерфейсными разъемами тапа «А» и «В»; 8 - измерительный усилитель; 9 - двуполярный источник питания ±12 В; 10 - иЗБ-осциллограф; 10 - ПЭВМ, оснащенная соответствующим программным обеспечением

К высокостабильному источнику питания подключается резистивный делитель, состоящий из последовательно включенных сопротивлений: балластного Я1 и переходного Як сопротивлений скользящего контакта (рис. 3). Резистор Я1 позволяет устанавливать требуемое значение тока 1к, проходящего через скользящие контакты кольцевого переходника. Если

учесть, что при нормальных условиях сопротивление Я стремится к нулю, то величина тока 1к практически всецело будет зависеть от величин сопротивления Я1 и напряжения источника питания и0 (В). Следовательно, для заданной величины 1к (например, 1; 5; 10 мА) балластное сопротивление резистора Я1 может быть легко определено по закону Ома.

Если принять, что Як стремится к нулю, то величина падения напряжения на кольцевом переходнике ик также будет стремиться к нулю. В реальном скользящем контакте в процессе вращения кольца величина мгновенного значения переходного сопротивления скользящего контакта Як все время будет претерпевать изменения. Следовательно, и величина падения напряжения на кольцевом переходнике ик (В) будет изменяться прямо пропорционально изменению сопротивления Як (Ом). Таким образом, измеряя значение ик, можно определить значение Як по следующей зависимости:

Рис. 2. Общий вид измерительной системы

В реальных условиях при малых значениях тока 1к (единицы миллиампер) и напряжения и0 (единицы, в крайнем случае, десятки вольт), которые сопоставимы с величинами напряжения и тока, протекающими через измерительные цепи, в которые включены кольцевые переходники, вели-

чина падения напряжения ик при колебаниях Як в переделах 1 Ома будет достигать всего лишь единиц милливольт. Этого явно не достаточно для измерения и регистрации в режиме реального времени быстроменяющего-ся параметра Як, в связи с чем в состав рассматриваемой системы должен быть включен измерительный, обладающий коэффициентом усиления по напряжению Ку порядка 1000.

Общий принцип работы измерительной системы заключается в следующем. Динамическое изменение сопротивления Як, образованного петлей «токоподводящая щетка - токосъемное кольцо - токосъемная щетка» (рис. 4) вызывает прямо пропорциональное изменение величины падения напряжения ик. Данное напряжение посредством экранированного измерительного кабеля 4 поступает на вход измерительного усилителя 8. Который помимо прочего, оснащен средствами точной балансировки «нуля». Усилитель запитывается от двуполярного источника питания ±12 В 9, посредством кабеля 5, оканчивающегося разъемом питания. Далее усиленный в 1000 раз сигнал поступает посредством экранированного измерительного кабеля 6 на вход USB-осциллографа 10. USB-осциллограф 10 является, по сути, АЦП с развитым программным интерфейсом, реализованным в виде ППП «USB-осциллограф». Он позволяет в двухканальном режиме отслеживать и производить оцифровку сигналов любой формы с частотой до 20 кГц на канал. Величина этого параметра является более чем достаточной для осуществления измерений в рассматриваемой области. Оцифрованные результаты измерений напряжения передаются по USB-интерфейсу на ПЭВМ 11 (например, ноутбук). Эти результаты могут быть визуализированы в режиме «Цифрового осциллографа» в окне ППП «USB-осциллограф», установленного на ПЭВМ (рис. 5). При этом становится возможным осуществление оперативного контроля и регистрации данных, позволяющей производить их дальнейшую обработку в других приложениях, например Microsoft Excel. Питание системы, как уже было замечено выше, осуществляется от внешнего высокостабильного источника, обеспечивающего также высокие точностные показатели работы. Во избежание возникновения помех и наводок все тракты измерительной системы соединены между собой экранированными кабелями, экраны которых, а также экранированные корпуса измерительных приборов и устройств заземлены, кроме того, заземляется также нулевой провод двуполярного источника питания.

Для решения рассматриваемой задачи наилучшим вариантом было бы использование в качестве измерительного усилителя так называемого инструментального усилителя, построенного на трех операционных усилителях [2]. Однако подобная схема несколько громоздка и может вызвать определенные трудности при ее монтаже и налаживании. В связи с этим автор рекомендует воспользоваться простейшей схемой усилителя, построенного на одной микросхеме, использование которой, впрочем, дает

вполне хорошие результаты.

Рассмотрим устройство данной схемы (рис. 6). Операционный усилитель включен не по классической схеме инвертирующего усилителя [2]. Известно, что при инверсном включении операционного усилителя выходное напряжение будет варьироваться в отрицательной области по отношению к положительному приросту сопротивления, что является не всегда удобным для его регистрации. Поэтому резистивный делитель Я1 - Як за-питывается от отрицательного полюса источника питания (см. рис. 3). Благодаря такому включению происходит двойная инверсия измеряемого сигнала, и он поступает на вход ШВ-осциллографа положительным.

Х2

Рис. 3. Структурная схема измерительной системы

Рис. 4. Фотография зоны образования

120

Рис. 5. Аналого-цифровой тракт измерительной системы

Рис. 6. Электрическая принципиальная схема измерительного усилителя

Согласно общепринятым рекомендациям [2] сопротивление входного резистора Я2 усилителя не должно быть меньше 1...2 кОм. Тогда для обеспечения коэффициента усиления, равного 1000, сопротивление Я3 должно быть 1.2 МОм. Величина сопротивления резисторов Я1 определяется расчетным путем и, например, для напряжения питания и0=12 В и тока через кольцевой переходник 1к= 10 мА будет равна 1200 Ом.

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 построечного - не менее 0,5 Вт при небольших значениях температурных коэффициентов сопротивления (ТКС). 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.

Для осуществления измерений средней точности в качестве ОУ ЭА1 в конструкции может быть использован отечественный операционный усилитель (К)(КР)140УД7 либо его зарубежный аналог, например мА741. Он представляет собой операционный усилитель общего назначения с внутренней частотной коррекцией и защитой выхода от короткого замыкания. Кроме того, рассматриваемая микросхема имеет дополнительные выводы, предназначенные для осуществления ее точной балансировки [3].

Для ряда типов операционных усилителей, в частности, для рассматриваемого, при работе в режиме измерения становится необходимой дополнительная балансировка. Для этого в схему введен подстроечный резистор Я4, номинальное сопротивление которого определяется исходя из типа используемой микросхемы, для данного случая это 10 кОм. Процедура балансировки операционного усилителя заключается в подстройке указанного резистора с целью добиться величины напряжения, максимально близкой к нулю на выводе измерительного усилителя в статическом (неподвижном) положении кольцевого переходника.

Для рассматриваемой конструкции зависимость выходного напряжения измерительного усилителя ивых (В) от величины сопротивления Як (Ом) при постоянных значениях сопротивлений резисторов Я1, Я2, и Я3 (Ом) будет иметь вид

и = и0 Як , Я3 вых Я1 + Як Я2

В качестве примера, иллюстрирующего конструктивные особенности и монтаж измерительного усилителя, можно рассмотреть устройство, внешний вид которого представлен на рис. 7, а внутренний монтаж - на

рис. 8.

Конструктивно устройство может быть оформлено в штампованном тонкостенном (в рассматриваемом примере толщина стенки 0,8 мм) корпусе 1 (коробчатой прямоугольной формы), выполненном из металла (в рассматриваемом случае - посеребренной латуни). Корпус закрывается штампованной крышкой, базирующейся на двух лепестках и фиксируемой винтом. Такая конструкция обеспечивает хорошую экранировку устройства от внешних электромагнитных помех и наводок.

Рис. 7. Внешний вид измерительного усилителя

Внутри корпуса может быть расположена монтажная плата с размещенными на ней электрорадиоэлементами, соединенными согласно электрической принципиальной схеме устройства (см. рис. 6). В качестве платы может быть использована одно- или двухсторонняя печатная плата с разведенными на ней электрическими цепями устройства согласно схеме и отверстиями и/или контактными площадками для установки элементов либо макетная плата, элементы, на которой соединяются с помощью навесных изолированных проводов. Однако ввиду относительной простоты кон-

струкции устройства оно может быть собрано навесным монтажом (как это показано на рис. 8).

Входной разъем 1 (см. рис. 8) устройства может иметь различную конструкцию. Однако автор рекомендует применять коаксиальный разъем, контактные части которого позолочены. Это связано с тем, что контактные звенья, включенные во входную цепь измерительного усилителя, должны иметь минимальное, а главное, стабильное по времени переходное сопротивление. Кроме того, корпус рассматриваемого типа разъема может быть легко распаян на посадочное отверстие в корпусе устройства, тем самым обеспечивая надежный электрический контакт.

Рис. 8. Монтаж измерительного усилителя:

1 - входной разъем; 2 - выходной коаксиальный разъем; 3 - разъем питания; 4 - клемма заземления;

5 - подстроечный резистор

В качестве выходного разъема 2 рекомендуется использовать блочные розетки серии СР50 или BNC3 качестве разъема питания 3 могут быть использованы отечественные прямоугольные соединители РП15 либо их зарубежный аналог типа D-sub серии DB [4]. Следует отметить, что для большей надежности работы устройства необходимо соединять общую шину питания (0В) с каждым разъемом отдельным «земляным» проводником, как это показано на рис. 8.

На боковых стенках устройства, кроме входного и выходного сигнальных разъемов, а также разъема питания, смонтированы клемма заземления 4 и балансировочный резистор 5.

В целом монтаж устройства не представляется сложным, не требует особых навыков, а также необходимости использования специального и дорогостоящего оборудования.

Присоединение контактных щеток ко входу измерительного усилителя необходимо осуществлять посредством экранированного повода или кабеля, в качестве которого можно использовать гибкий многожильный экранированный провод типа МПОЭ 33-11, предназначенный для передачи постоянного тока с номинальным напряжением 550 В или сетях переменного тока с напряжением до 380 В и частотой до 4 МГц. Оптимальное сечение жилы провода для рассматриваемой области применения 0,2...0,5 мм2. В рассматриваем варианте устройства использован провод с жилой сечением 0,35 мм .

Список литературы

1. ГОСТ 21342.6-75. Резисторы переменные. Методы контроля шумов перемещения подвижной системы. Введ. 1977-01-01. М.: Изд-во стандартов, 1976. 17 с.

2. Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат, 1988. 304 с.

3. Аналоговые интегральные микросхемы: справочник / Б.П. Кудряшов [и др.] М.: Радио и связь, 1981. 160 с.

4. D-sub [Электронный ресурс] // Интернет-портал Википедии -свободной энциклопедии: [сайт]. [2013]. URL:http://ru.wikipedia.org/wiki/ D-sub (дата обращения: 07.09.2013).

Сидоркин Андрей Викторович, канд. техн. наук, доц., alan-a@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

PROXIMA TE METHOD AND HARD WARE COMPONENTS FOR DEFINITION OF QUALITY OF TRANSFER OF THE LOW-CURRENT ELECTRIC SIGNAL THROUGH RING

ADAPTERS

A. V.Sidorkin 125

Practical aspects of construction of a proximate method and sampling of hardware components for definition of quality of transfer of a low-current electric signal through various types of ring adapters are observed. The data resulted in paper, allow readers to produce a complex of practical solutions of a problem of an estimation of quality of transfer of an electric signal and level of the switching handicapes which are brought in to it by sliding contacts.

Key words: a ring adapter, transitive resistance, a signal, the sensing transducer, twirled installation, measurement.

Sidorkin Andrei Victorovich, candidate of technical sciences, docent, alan-acuvail.ni. Russia, Tula, Tula State University