книги из ГПНТБ / Шульц, Е. Ф. Индуктивные приборы контроля размеров в машиностроении

ной сети через феррорезонансный или электронный ста­ билизатор переменного напряжения. При использовании в такой схеме электромагнитных реле средней мощности (РЭН-20, КДРТ) потребляемая каскадом мощность до­ стигает 3—5 Вт и, являясь однополупериодной нагруз­ кой, ухудшает режим работы стабилизатора (особенно феррорезонансного) и приводит к резкому ухудшению и непостоянству формы кривой стабилизированного напря­ жения. Искаженная форма напряжения питания (из-за несимметрии моста по реактивным сопротивлениям) не позволяет получить нуль на выходе измерительного мос­ та и это напряжение разбаланса ухудшает четкость рабо­ ты электронного реле. Этим обусловливается большая погрешность измерения. Исследования измерительных систем с дифференциальными индуктивными преобразо­ вателями показывают, что изменение высших гармоник в стабилизированном напряжении питания измеритель­ ного моста на ± (1 —2) % вносит погрешность измерения от 0,1 до 0,2 мкм, изменение на ± (3—4) % от 0,4 до 1,0 мкм. В многокомандных устройствах нагрузка за один полупериод может достигать 80% общей нагрузки ста­ билизатора. Кроме того, плавное (и медленное) нараста­ ние анодного (коллекторного) тока около точки баланса измерительного моста не исключает преждевременного срабатывания реле в условиях вибрации станка. Указан­ ные свойства позволяют сделать вывод о целесообразно­ сти использования данной схемы реле только в одноко­ мандных приборах с феррорезонансными стабилизато­ рами.

Для широкого применения в многокомандных прибо­ рах активного контроля, измерительные цепи которых получают питание как от промышленной сети, так и от собственных генераторов повышенной частоты, можно рекомендовать схему (рис. 14) мощного электронного реле постоянного тока и фазочувствителыюго усилителя, управляющего этим реле. Реле постоянного тока пред­ ставляет собой трехкаскадный усилитель постоянного тока (триоды Т2 — Т4), охваченный положительной обратной связью через резистор R4. Выходной каскад реле выполнен на составном триоде (ТЗ, Т4), нагрузкой кото­ рого является электромагнитное реле. Этот каскад может находиться в двух состояниях: полностью закрыт, полно­ стью открыт (насыщение). Скачкообразное изменение коллекторного тока составного триода исключает по­

20

грешность срабатывания реле от вибрации станка. Фазо­ чувствительный усилитель 77 потребляет мощность переменного тока 15—20 мВт и может управлять рабо­ той реле постоянного тока, имеющего нагрузку до 50 Вт.

При одинаковой фазе напряжений Ис и UK триод 77 открывается на время, примерно равное времени поло­ жительного полупериода, конденсатор С заряжается и, когда напряжение его, прикладываемое к цепи базы три­ ода Т2, достигнет величины напряжения порога срабаты­ вания ПСр, реле включится. При снижении напряжения

Рис. 14. Схема электронного реле на транзисторах

положительной полярности на конденсаторе С до величи­ ны напряжения отпускания Потп реле выключится. Ста­ бильность напряжений (порогов) срабатывания Пср и от­ пускания Потп реле, определяемых выражениями:

зависит от стабильности напряжения питания Еп реле. Так как в приборах активного контроля достаточно

иметь стабильным только момент срабатывания реле (момент выдачи команды), а анализ выражения (б) по­ казывает, что порог срабатывания реле определяется па­ раметрами первого каскада, то в предлагаемой схеме стабилизируется только напряжение питания маломощ­ ного каскада реле.

Схема фазочувствительного реле (ток срабатывания реле 0,13 А) испытывалась при управлении усиленным

21

сигналом измерительного моста с дифференциальным индуктивным датчиком для контроля линейных разме­ ров. При общей добротности преобразования до фазо­ чувствительного усилителя, определяемой произведением чувствительности моста (мВ/мкм) на коэффициент уси­ ления предварительного усилителя, и при изменении на­ пряжения питания составного триода реле на ±20% и окружающей температуры от +10 до +50°С, коэффици­ енте усиления 500 мВ/мкм погрешность точки срабаты­ вания реле не превышает ±0,1 мкм. Схема реле проста в наладке, а некоторая ее громоздкость окупается высо­ кой экономичностью и точностью работы в условиях не­ стабильного напряжения сети и температуры окружаю­ щей среды.

5. ГЕНЕРАТОРЫ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

Для питания измерительных цепей приборов автома­ тического контроля применяются LC и RC-генераторы синусоидальных колебаний, работающие на фиксирован­ ной частоте. Поэтому основными показателями, по кото­ рым сравниваются и, следовательно, выбираются генера­ торы, являются величина нелинейных искажений, ста­ бильность частоты и амплитуды колебания. В приборах активного контроля широкое применение нашли низко­ частотные генераторы (300—2000 Гц) с полосовыми фильтрами, позволяющие получить низкий уровень нели­ нейных искажений (0,1—0,4%) при нестабильности час­ тоты 1%. В точных измерительных приборах с индуктив­ ными преобразователями, включенными в мост перемен­ ного тока, работающего в неравновесном режиме, приме­ няются низкочастотные генераторы с колебательными LC-контурами, обеспечивающие нелинейные искажения менее 0,1% и сравнительно высокую стабильность часто­

ты -у~ = 0,1 -h 0,5%.

IО

На рис. 15 приведена схема RC-генератора [1] синусо­ идальных колебаний фиксированной частоты f = 1200 Гц, выполненная на транзисторах.

Суммарная полезная мощность в нагрузке составляет не менее 1,5 Вт, при этом мощность, потребляемая от се­ ти, не превышает 6 Вт. Экспериментальная проверка данной схемы для ряда генераторов на частоты от 400 до 2000 Гц и выходную мощность 0,5—2,5 Вт показала, что

22

генераторы устойчиво работают в диапазоне температур от 0 до 65° С. Погрешность выходного напряжения и час­ тоты генераторов в диапазоне от 10 до 55° С не превыша­ ет 1%.

Малая величина температурной нестабильности обес­ печивается только за счет правильного выбора режима работы элементов схемы генератора без применения тем­ пературной компенсации, что является достоинством схемы.

Генератор имеет усилитель напряжения, собранный на транзисторах 77 — ТЗ, и выходной каскад на транзис-

Рис. 15. Схема RC-генератора на транзисторах

торах Т4— Т5, работающий в режиме класса В. Генера­ тор имеет цепь положительной обратной связи (резисто­ ры R1 и R2, конденсаторы С1 и С2), зависимой от часто­

ты с коэффициентом передачи а = — , и цепь отрицатель- «5

ной обратной связи (резистор R3 и термистор JI1), за­ висимой от амплитуды с коэффициентом передачи р. Усилитель напряжения выполнен по схеме с непосредст­ венной связью между каскадами и охвачен глубокой от­ рицательной обратной связью по постоянному току с коллектора ТЗ на базу 77; с помощью конденсаторов СЗ и С4 устраняют обратную связь по переменному току.

Такая схема усилителя обеспечивает высокую темпе­ ратурную стабильность режимов транзисторов Т1— ТЗ и позволяет сократить число реактивных элементов, вхо­ дящих в цепи междукаскадной связи, что повышает устойчивость схемы на частотах, много меньших частоты

23

генерации. Устойчивость схемы на высших частотах обес­ печивается расширением полосы пропускания усилителя за счет использования высокочастотного транзистора Т2 и конденсатора С5 в эмиттерной цепи транзистора 77 и использованием стабилизирующей обратной связи (цепь

R4, С6) .

Температурное изменение любого из параметров, вхо­ дящих в уравнение (8), вызывает нарушение условия баланса амплитуд, восстановление которого возможно только за счет изменения р, вызванного изменением вы­ ходного напряжения генератора.

Из уравнения (8) можно получить выражение, свя­ зывающее относительное изменение выходного напряже­ ния генератора с относительным изменением любого из параметров k, а и р, а именно:

коэффициента передачи цепи р при изменении выходного напряжения генератора. Для случая термистора с поло­

24

= 100) усилителя на стабильность выходного напряже­

±0,5%.

Влияние изменения сопротивления термистора на вы­ ходное напряжение генератора проявляется через изме­ нение 6:

S - (l - P ) . (14)

Полное изменение сопротивления термистора ДДтст,

входящее в выражение (14), обусловлено не только изме­ нением температуры окружающей среды, но и изменени­ ем токового режима термистора и связано с температур­ ным изменением сопротивления термистора &pR7ct

выражением

25

Д/°^?Тст находится из вольтампврных характеристик

термистора, снятых при различных значениях темпера­ туры окружающей среды.

Из выражений (11), (14) и (15) следует

Д [/„

-(д -1 ). (16)

I/.

Для повышения стабильности выходного напряжения генератора необходимо выбрать такой режим работы

термистора, при котором <х = -------- — было бы наи-

ст

меньшим, т. е. при наибольшем возможном токе термис­ тора.

В данной схеме генератора ток термистора в рабочей точке составляет 100— 130 мА; при этом, как следует из кривых, приведенных на рис. 16, ia— +0,01 в диапазоне температур от 0 до 60° С, что при q — 2 дает уменьшение выходного напряжения генератора порядка 1%.

изменение параметров элементов (Rl, R2, Cl, С2) цепи положительной обратной связи и изменение входного со­ противления усилителя напряжения.

Если в качестве Rl, R2, Cl, С2 используются прово­ лочные секционированные резисторы и слюдяные конден­ саторы группы Г, изменение « не превышает в худшем случае ±2-10~3 при At° = +60°С, что вызывает измене­ ние выходного напряжения на ±0,4%.

Изменение ш, вызываемое изменением входного сопро­ тивления усилителя, является основным в RC-генерато- рах, построенных на транзисторах.

Это объясняется сильной температурной зависимостью и сравнительно невысокой абсолютной величиной вход­ ного сопротивления полупроводниковых усилителей, осо­ бенно в том случае, когда на входе усилителя стоит гер­ маниевый транзистор. Абсолютная величина входного сопротивления полупроводникового усилителя, охвачен­ ного отрицательной обратной связью, всегда меньше со­ противления коллектора этого каскада, т. е. RBx < гк [1].

Поэтому в качестве входного транзистора, особенно в генераторах, предназначенных для работы при повы­ шенных температурах, следует использовать кремниевый

26

транзистор, обладающий высоким значением гк, а в цепи положительной обратной связи — сопротивления на­ сколько возможно меньшей величины. В предлагаемой схеме в качестве входного применен кремниевый транзис­

выходного напряжения около — 0,3%.

Дальнейшее уменьшение температурной нестабильно­ сти выходного напряжения возможно за счет введения температурной компенсации, которую можно осуществить включением в цепь инерционно нелинейной обратной связи медного сопротивления. Питание на усилитель на­ пряжения подается от стабилизатора с погрешностью стабилизации не более 0,5%. На выходной каскад по­ дается нестабилизированное напряжение, чем достигает­ ся высокая экономичность схемы генератора.

Схема LC-генератора, выполненного на лампах (рис. 17), содержит задающий генератор, буферный уси­ литель, выходную ступень и узел стабилизации. Задаю­ щий генератор выполнен на триодной части лампы Л1 (6И1П) по схеме с индуктивно-емкостной Т-образной цепью. Преимущество таких цепей заключается в том, что, во-первых, на резонансной частоте они дают сдвиг

27

180°, благодаря чему генератор может быть выполнен одноламповым, а, во-вторых, относительное увеличение добротности в этом случае больше, чем у схем с полосо­ вым RC-фильтром. Частота генератора определяется вы­ ражением

f

а условие самовозбуждения определяется соотношением

где К — коэффициент усиления каскада при нагрузке его Т-образным мостовым фильтром. Так как на одном кас­ каде можно получить коэффициент усиления от 10 до 100, то результирующая добротность генератора по такой схеме составляет Q = 50 500. Анодное напряжение на задающем генераторе стабилизировано, погрешность ста­ билизации не превышает ±0,5%.

Буферный усилитель, собранный на гептодной части лампы Л1, является регулирующим элементом. Коэффи­ циент усиления такого усилителя изменяется в зависимо­ сти от величины постоянного напряжения на управляю­ щих сетках. Для улучшения стабилизации управляющее напряжение подается на гетеродинную и сигнальную сетки. Выходная ступень выполнена на лучевом тетроде Л2 (6П1П). Для уменьшения выходного сопротивления и снижения гармоник лампа включена триодом.

Узел стабилизации предназначен для выдачи управ­ ляющего напряжения на регулирующий элемент и со­ держит источник опорного напряжения на кремниевых стабилитронах Д1 — Д4, выпрямитель выходного напря­ жения на кремниевых диодах Д5 и Д6, фильтр выпрям­ ленного напряжения на резисторах R2, R4, R5 и конден­ саторах С2, СЗ, С1.

Сопротивление нагрузки R3 выпрямителя выбрано , так, чтобы влияние изменений прямых и обратных сопро­ тивлений диодов под действием температуры сказывалось в меньшей степени. Компенсация температурного ухода опорного напряжения осуществляется в цепи выпрямлен­ ного напряжения с помощью термистора Rl (КМТ-4). Рост опорного напряжения с повышением температуры

28

компенсируется ростом выпрямленного напряжения, по­ этому разностное управляющее напряжение остается не­ изменным в некотором интервале температур.

Начальное отрицательное смещение на сетке буфер­ ного усилителя образуется за счет того, что выпрямлен­ ное выходное напряжение на 3—4 В превышает опорное при номинальном переменном напряжении на выходе генератора. В первый момент после включения на сетку буферного усилителя прикладывается положительное опорное напряжение, под действием которого коэффи­ циент усиления ламп становится настолько низким, что выпрямленное отрицательное напряжение не может пре­ высить опорное. На сетке остается положительное смеще­ ние и после прогрева ламп, т. е. схема не обладает свой­ ством самозапуска. Чтобы придать схеме необходимое свойство, применен диод Д7, через который в начальный момент на сетку буферного усилителя подается отрица­ тельное напряжение 1,5—2,0 В. После прогрева ламп выпрямленное напряжение достигает нормальной вели­ чины, напряжение смещения становится равным 3—4 В, диод запирается перепадом напряжения около 1,5 В и схема запуска автоматически отключается.

Генератор, выполненный по данной схеме, использует­ ся для питания измерительных цепей с индуктивными преобразователями в приборах высокой точности. При мощности нагрузки около 1 Вт и уровне нелинейных ис­ кажений не более 0,5% погрешность выходного напряже­ ния при изменении температуры окружающей среды от 10 до 60° С не превышает по амплитуде ±0,05% и по частоте 0,5%. Погрешность выходного напряжения гене­ ратора от изменения напряжения сети не превышает ±0,4% при изменении напряжения сети в интервале ±15% - С применением феррорезонансного стабилизато­ ра напряжения для питания прибора эта погрешность практически исключается.

6. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Для получения высоких точностных характеристик из­ мерительные и усилительные схемы приборов автомати­ ческого контроля с индуктивными преобразователями необходимо питать стабилизированным напряжением переменного и постоянного тока. Измерительные схемы могут питаться от промышленной сети через стабилиза-

29