2.1.3 Дистанционные магнитоиндукционные тахометры. Электрические тахометры


11.2. Электрические тахометры

Существуют разнообразные способы для определения частоты вращения электрическими средствами измерения.

Принципиально различные методы измерения могут быть разделены на две основные группы: аналоговые и дискретные. Различие этих двух методов обусловлено в основном применяемыми измерительными преобразователями (датчиками). Однако по техническим и экономическим причинам выбор того или иного из этих методов зависит от применения тех или иных показывающих приборов, хотя использование соответствующих согласующих элементов позволяет перейти от одного способа измерения к другому. Достоинством как аналогового, так и дискретного способов является возможность размещения показывающего прибора на расстоянии от места измерения, т.е. дистанционное измерение частоты вращения. При аналоговом методе с измерительного преобразователя скорости (датчика скорости) снимается выходной сигнал в виде напряжения (или тока), пропорционального измеряемой скорости. Чаще всего в качестве таких преобразователей применяют генераторы переменного тока, так называемые тахогенераторы переменного тока. Их особое достоинство заключается в том, что в них нет подвижных токонесущих деталей и поэтому они работают практически без износа.

При дискретном методе измерения частота вращения определяется подсчетом числа импульсов, создаваемых при каждом обороте за единицу времени, или числа единиц времени между двумя импульсами. Съем данных измерения может осуществляться механически (в результате срабатывания контактов), но основное преимущество дискретного метода заключается в возможности бесконтактной передачи данных (индуктивной, фотоэлектрической) и, как следствие, устранение износа трущихся частей и в высокой точности. Так как в основу этого метода измерения положен цифровой принцип, то, как правило, используется цифровая индикация и обработка данных измерения.

Значительно удобнее как по возможности использования для измерения различных физических эффектов, так и по возможности дальнейшей обработки измерительных сигналов являются электрические тахометры. Под ними понимаются все тахометры, дающие на выходе электрический сигнал. Сюда относятся, в частности, различные типы тахогенераторов, которые должны быть жестко связаны с объектом измерения и, как и механические тахометры, приводимые во вращение энергией, потребляемой от объекта измерения. Они вырабатывают непрерывный сигнал, пропорциональный частоте вращения объекта измерений, и могут быть также с успехом использованы для определения изменений частоты вращения.

Еще большие возможности использования различных физических эффектов дают электрические тахометры, взаимодействующие с объектом измерения без непосредственного контакта с вращающимся телом и потребляющие от объекта незначительное количество энергии, либо работающие совсем без затраты энергии объекта. Связь такого тахометра с объектом измерения осуществляется индукционным, магнитным или фотоэлектрическим путем. Такие тахометры пригодны для измерения вплоть до очень высоких скоростей и на очень малых объектах. Их достоинством является дистанционная передача выходных сигналов. Частота импульсов, снимаемых с таких тахометров, пропорциональная частоте вращения, менее восприимчива к помехам, чем напряжение, пропорциональное частоте вращения. Тахометры этого типа, как правило, требуют источник вспомогательной электрической энергии. Между чувствительным элементом прибора, воспринимающим измеряемую величину, и его выходным устройством находятся элементы согласования, преобразующие измерительный сигнал в форму, пригодную для дистанционной передачи измеренной величины.

Общим для всех электрических тахометров является возможность дистанционной передачи результатов измерений и их контроля и протоколирования совместно с результатами измерения других параметров. Возможно преобразование выходного сигнала в цифровой код, допускающий дальнейшую обработку в вычислительных машинах. В заключение следует также отметить возможность стробоскопического измерения частоты вращения. Хотя стробоскопический эффект используется преимущественно для исследования характера движения вращающихся тел, однако он может быть использован и для измерения частоты вращения. Это мобильный, лишенный обратной реакции на объект способ измерения.

Для бесконтактного измерения частоты вращения могут применяться ручные приборы преимущественно с аналоговой или цифровой индикацией. В таких приборах съем сигнала осуществляется оптическим методом, для чего на вращающуюся деталь наносят светлую метку.

studfiles.net

2.3.2.4 Электрические тахометры постоянного тока

Электрические тахогенераторы различают двух типов: тахогенератор и вольтметр, тахометрическая мостовая схема с электродвигателем постоянного тока.

Тахогенератор и вольтметр

Якорь тахогенератора (коллекторного генератора постоянного тока с независимым возбужде­нием) приводится во вращение от вала, ско­рость которого подлежит измерению (рис.11).

Рисунок 11

Э.д.с., индуцируемая генератором, про­порциональна скорости вращения якоря:

Е = С1n ,

где

здесь р - число пар полюсов; ω - число активных проводников обмотки якоря; Ф - магнитный поток в мкс; z - число параллель­ных цепей обмотки якоря.

Индикатором обычно служит магнитоэлек­трический вольтметр со шкалой, проградуированной в оборотах в минуту. Для уменьшения погрешности его сопротивление должно быть во много раз больше сопротивления цепи якоря.

Градуировочная зависимость прибора ли­нейна:

,

где С2 - постоянная индикатора; С - по­стоянная тахометра.

Достоинства прибора: равномерность шка­лы, широкий диапазон измерения. Недо­статки: сравнительно низкая точность (1- 1,5%) вследствие старения магнита генера­тора, температурного влияния и т. п.; невы­сокая надежность коллекторного генератора; искрение коллектора.

Тахиметрическая мостовая схема с электро­двигателем постоянного тока

Дей­ствие схемы (рис.12) основано на измерении противо-э.д.с. якоря:

Е = сяФп ,

где Ф - магнитный поток; Ся - постоянная цепи якоря; п — скорость вращения в об/мин.

Рисунок 12

Якорь включается в схему моста в качестве одного из плеч. Напряжение на измерительной диагонали про­порционально от­клонению скорости вращения от равно­весной.

Для измерения абсолютной скоро­сти вращения мост балансируют при неподвижном дви­гателе. Этот способ особенно удобен для измерения скорости вращения двигателя постоянного тока, так как здесь можно обойтись без датчика.

Общее преимущество обоих схем на постоян­ном токе - линейная характеристика и безынерционность в комплекте с быстродействую­щим самописцем, например шлейфовым осцил­лографом, вследствие чего они применяются главным образом для регистрации на осцилло­графе быстроменяющихся скоростей враще­ния, а также в схемах автоматики - в цепях гибкой обратной связи.

2.3.2.5 Электрические тахометры переменного тока

Датчиком служит генератор переменного тока, приводимый во вращение от вала, ско­рость которого подлежит измерению. Обычно генератор имеет неподвижную статорную об­мотку и вращающийся постоянный магнит в качестве ротора. Таким образом, тахогенератор переменного тока свободен от коллек­тора и контактных устройств, что составляет одно из важнейших его преимуществ. Приме­няются ферродинамические, фазопостоянные, индукционные, электромагнитные, тепловые, детекторные и другие тахометры. Наименова­ние определяется схемой измерителя.

Наибольшую точность измерения можно достигнуть в схемах, реагирующих только на частоту сигнала тахогенератора и не учиты­вающих его напряжения.

В ферродинамическом тахометре (рис.13) измерителем служит компенсацион­ный ферродинамический логометр, показания которого зависят только от частоты сигнала датчика. Переменный ток датчика распреде­ляется между двумя цепями: возбуждения и рамки. Параметры контура цепи возбужде­ния L и С подбирают таким образом, чтобы его собственная частота равнялась средней частоте сигнала датчика или

,

откуда при заданной индуктивности L емкость конденсатора

.

Рисунок 13

Ток в рамке должен быть сдвинут относи­тельно магнитного потока неподвижной ка­тушки на 90°. При этом, если ось рамки сов­падает с направлением вектора магнитного потока, момент отсутствует и рамка находится в равновесии. Это положение рамки со стрелкой соответствует середине шкалы. С изменением скорости вращения или частоты питающего сигнала изменяется сдвиг фаз между током рамки и потоком возбуждения. Соответственно смещается равновесное поло­жение рамки, что вызывает ее поворот. Для уменьшения относительной погрешности и по­вышения линейности характеристики в тахометре диапазон разбит на шесть поддиа­пазонов, причем для каждого предусмотрена отдельная группа емкостей и сопротивлений. Переключение поддиапазонов может быть произведено вручную или автоматически ша­говым искателем.

studfiles.net

Магнитные тахометры

На рисунке 1.5 а дана принципиальная схема магнитоиндукционного узла, являющегося чувствительным элемен­том магнитного тахометра. С приводным валом тахометра жестко связаны постоянный магнит 1, магнитопровод 6 и термомагнитный шунт 5. Соосно с магнитом на отдельном валу установлен колпачок 2, изготовленный из немагнит­ного металла с малым электрическим сопротивлением. На этом же валу установлена стрелка 4 и закреплен один ко­нец спиральной пружины 3, другой конец которой соеди­нен с корпусом.

Принцип работы тахометра заключается в следующем. При вращении приводного вала магнитные силовые линии постоянного магнита пересекают колпачок, вследствие этого в материале последнего наводятся вихревые токи. Они, протекая по колпачку, создают электромагнитное поле, которое при взаимодействии с полем постоянною магнита вызывает появление движущего момента относительно оси колпачка, увлекающего его в направлении вра­щения магнита. Колпачок, а с ним и стрелка прибора по­ворачивается до тех пор, пока увлекающий момент не бу­дет уравновешен противодействующим моментом пружи­ны 3.

Рисунок 1.5 – Схема магнитного тахометра ( а – схема магнитоиндукционного узла; б – структурная схема; в – развертка магнитного поля и контуров вихревых токов)

Увлекающий момент:

(1.9),

где F - сила взаимодействия электромагнитного поля вихревых токов с полем постоянного магнита, действую­щая по касательной к цилиндрической поверхности кол-пачка, Н; D- диаметр магнита, м; 2р - число пар по­люсов магнита.

Сила F, возникающая под каждым полюсом магнита

F=BlI (1.10),

где В — магнитная индукция, Тл; l — длина полюсов маг­нита, м; I — полный ток под каждым полюсом магнита, A.

(1.11),

где Е — электродвижущая сила, В; R -- полное электри­ческое сопротивление контура тока, Ом.

На рис. 1.2 в приведена развертка магнитного поля и контуров вихревых токов в теле колпачка. Из-за сложнос­ти определения формы контура тока и плотности его рас­пределения расчет полного электрического сопротивления R затруднен. С этой целью вводится коэффициент kс, учи­тывающий параметры распределения контуров тока.

(1.12),

где р - удельное электрическое сопротивление материала колпачка, ;

∆ - толщина стенки колпачка, м. Возникающая электродвижущая сила (В):

E=2Blv (1.13)

Линейная скорость перемещения полюсов магнита от­носительно стенки колпачка v (м/с) связана с частотой вращении магнита n (об/мин) соотношением:

(1.14)

Решая совместно вышеприведенные уравнения, получа­ем формулу для определения увлекающего момента:

(1.15)

Противодействующий момент (), создаваемый плоской спиральной пружиной прямоугольного поперечно­го сечения:

(1.16),

где E — модуль упругости материала пружины, Па: b, h, L — ширина, толщина и длина пружины, м; α — угол за­кручивания пружины, равный углу поворота оси колпачка.

При установившейся скорости вращения увлекающий момент уравновешивается противодействующим моментом пружины Му=Мпр и характеристика тахометра:

(1.17)

Магнитный тахометр имеет линейную характеристику, так как при неизменных внешних условиях все параметры постоянны. Поэтому можно записать:

(1.18),

где k - коэффициент пропорциональности, характеризую­щий конструктивные и электрические параметры тахо­метра.

Благодаря линейной характеристике и значительному закручиванию спиральной пружины (до 3—3,5 оборотов) шкалы магнитных тахометров можно выполнять многообо­ротными и двухстрелочными.

С целью получения устойчивых показаний, особенно при малой частоте вращения, необходимо обеспечить до­статочно большой увлекающий момент. Для этого, как видно из зависимости (1.18), необходимо, чтобы магнит имел большую индукцию и материал колпачка обладал малым удельным электрическим сопротивлением. Увеличе­ние числа пар полюсов постоянного магнита не вызывает значительного повышения увлекающего момента, так как одновременно подрастает коэффициент kс.

Магнитному тахометру присуща температурная погреш­ность, связанная с изменением магнитной индукции посто­янного магнита, модуля упругости пружины и удельного электрического сопротивления материала колпачка. С повышением температуры индукция магнитных материалов уменьшается, электрическое сопротивление увеличивается, и модуль упругости снижается. Результирующее влияние этих факторов может скомпенсировать суммарную погреш­ность показаний тахометра. Поэтому теоретически воз­можно за счет соответствующего подбора температурных коэффициентов этих параметров свести к нулю возникаю­щие температурные погрешности. Однако реализация, на практике этого метода компенсации температурной по­грешности связана с большими трудностями. В конструк­циях тахометров реализуется другой метод компенсации, основанный на применении термомагнитного шунта.

Простота конструкции, относительно высокая степень линейности характеристики, возможность использования в условиях вибрации и тряски, независимость показаний от положения чувствительного элемента позволяют широко использовать магнитные тахометры в различных областях науки и техники.

Тахометры магнитоиндукционного типа являются по существу стационарными приборами. Вал тахометра дол­жен быть связан напрямую с объектом измерения или с помощью гибкого валика.

Рисунок 1.6

Для обеспечения дистанционно­го измерения применяют электрическую передачу от объ­екта измерения ли тахометрического узла (так называе­мый электрический пал).

На рисунке 1.6 приведена схема тахометра с электрической связью типа ТЭ. Система электрической передачи включа­ет в себя трехфазный генератор 1, ротор которого выпол­нен в виде постоянного магнита и приводится во враще­ние от объекта измерения, и синхронный двигатель 2. Ста­тор двигателя питается от трехфазного генератора, а ротор связан с валом магнитного тахометрического узла.

При вращении ротора генератора его магнитное поле наводит в трехфазной обмотке статора ЭДС, частота кото­рой пропорциональна частоте вращения ротора. Это напря­жение по линии связи передается в статорную обмотку синхронного трехфазного электродвигателя, создавая в статоре вращающееся магнитное поле. Взаимодействуя с ротором, представляющим собой постоянный магнит, это поле приводит его во вращение. С целью обеспечения за­пуска и синхронизации ротора применена схема асинхрон­ного запуска двигателя, для чего па валу ротора установлен дополнительно короткозамкнутый ротор 3. Чтобы облегчить вхождение ротора в синхронизм, его постоянные магниты 4 посажены на вал свободно, а крутящий момент передается от магнитов на вал через спиральную пружи­ну. С валом двигателя соединен магнитоиндукционный узел 5, аналогичный чувствительному элементу одного из описанных ранее магнитных тахометров, связанный с. одно- или двухстрелочным указателем и индукционным демпфером. Основная погрешность комплекта таких тахометров на­ходится в пределах ±0,5...±1,5 %.

studfiles.net

Магнитоиндукционные тахометры. Электрические тахометры постоянного и переменного тока.

Поиск Лекций

Тахометр – прибор для измерения угловой или линейной скорости вращающихся или движущихся частей машин и механизмов. Тахометры широко применяются в системах, где необходимо контролировать скорость вращения

Магнитоиндукционные тахометры очень просты и надежны в эксплуатации. Они содержат очень мало деталей.

Магнитоиндукционные тахометры бывают двух типов: с цилиндрическим чувствительным элементомЧЭ (рис.2 а) и с дисковым ЧЭ (рис. 2 б).

Рис. 2 а – тахометр с полым цилиндром; б – тахометр с диском; 1 – магнит; 2 – чувствительный элемент; 3 – термомагнитный шунт; 4 – магнитопровод.

Рис.2,б 15.16. Магнитоиндукционный тахометр:1 — катушка индуктивности; 2 — статор; 3 — изоляция; 4 — подшипник; 5 — алюминиевая чашка; 6 — вал привода; I — напряжение питания переменного тока; II — напряжение на

Индукционные тахометры

Индукционные тахогенераторы редко применяются как измерительные приборы вследствие больших погрешностей, но они незаменимы в качестве датчиков угловой скорости в системах автоматики. К ним относятся магнитоиндукционные тахо­метры, которые бывают двух типов: с чувствительным элементом в виде тонкостенного электропроводящего полого цилиндра 1 (рис. 6. а), помещенного в зазоре между вращаемым магни­том 2 и магнитопроводом 3, или с чувствительным элементом в виде диска 1 (рис. 6. б), помещенного в зазоре между вращаемыми цилиндрическими магнитами 2. Обычно постоянные маг­ниты вращаются с частотой, пропорциональной измеряемой час­тоте вращения вала двигателя, а чувствительные элементы (ци­линдры и диски) закреплены на самостоятельных осях и могут поворачиваться лишь на некоторый угол, ограниченный спираль­ной противодействующей пружиной П.

Рис. 6 Кинематические схемы магнитоиндукционных тахометров:а – с полым цилиндром; б – с диском; 1 – чувствительный элемент; 2 –магнит; 3 – магнитопровод.При вращении магнитной системы в теле чувствительного эле­мента (ЧЭ) за счет магнитной индукции наводится ЭДС, прямо пропорциональная скорости вращения магнита:Е=k1nm, (3.1)где k1 - коэффициент, зависящий от индукции магнитного пото­ка, пронизывающего ЧЭ; пм — угловая скорость вращения магнита.

Электрические тахометры постоянного тока (рис. 3) включают тахогенератор постоянного тока и гальванометр. Тахогенераторы бывают двух типов: с ограниченным (рис.3 а) и неограниченным (рис.3 б) углом поворота ротора.

Рис. 3 а – тахогенератор ; б – тахометр постоянного тока: 1 – магниты; 2 – обмотка якоря; 3 – коллектор.Тахогенератор с ограниченным углом поворота выполняется с неподвижной статорной обмоткой, внутри которой помещается постоянный магнит, связанный с валом, скорость вращения которого контролируется.Тахогенераторы подобного типа применяются в качестве датчиков угловой скорости и скоростной обратной связи. Достоинство их – отсутствие коллектора и щеток.

Имеется несколько различных типов электрических тахометров переменного тока и все они хороши тем, что датчики- генераторы их выполняются в виде однофазного или двухфазного генератора с неподвижными обмотками, от которых отводится переменный ток. Магнитная система представляет собой постоянные магниты двухполюсного или многополюсного типа.

В качестве указателей оборотов применяются электромагнитные, тепловые или индукционные электрические измерительные приборы—вольтметры.

В комплект индукционного тахометра входят следующие элементы:

1) датчик—двухфазный генератор;

2) индикатор—двухфазный индукционный вольтметр;

3) эластичная муфта;

4) электропроводка.

poisk-ru.ru

2.1.3 Дистанционные магнитоиндукционные тахометры

Дистанционное измерение частоты вращения основано на принципе электрической дистанционной передачи вращения вала двигателя валу магнитно-индукционного измерительного узла измерителя и преобразования частоты вращения вала в угловые перемещения стрелки измерителя.

Рис. 2.3. Дистанционный магнитоиндукционный тахометр.

Тахометр работает следующим образом (рис. 4): в обмотке статора 11 датчика при вращении ротора 15 возбуждается трехфазовый ток с частотой, пропорциональной частоте вращения вала двигателя. Ток по трем проводам приводится к обмотке статора 12 синхронного серводвигателя.

Частота вращения магнитного поля статора измерителя пропорциональна частоте токов в обмотках фазы. Ротор двигателя измерителя вращается с частотой, синхронной вращению магнитного поля статора. На конце вала ротора двигателя укреплен магнитный узел 2 с шестью парами постоянных магнитов, между полюсами которых расположен чувствительный элемент 8. При вращении магнитного узла в чувствительном элементе индуцируются вихревые токи. В результате взаимодействия вихревых токов с магнитным полем магнитного узла создается вращающий момент чувствительного элемента. Вращающему моменту чувствительного элемента противодействует спиральная пружина 7, - один конец которой укреплен на оси чувствительного элемента, другой - неподвижен. Так как момент спиральной пружины пропорционален углу ее закручивания, то угол поворота чувствительного элемента пропорционален частоте вращения магнитного узла, и соответствует частоте вращения вала двигателя. На другом конце оси чувствительного элемента укреплена стрелка 5, показывающая по равномерной шкале 4 измерителя частоту вращения вала двигателя. Для повышения устойчивости стрелки и улучшения отсчета показаний прибора применено демпфирование подвижной системы измерителя. При движении подвижной системы магнитный поток магнита 6 наводит в алюминиевом диске 3 вихревые токи, которые взаимодействуют с магнитным полем магнитов, и в подвижной системе возникает тормозящий момент. Ротор состоит из двух постоянных магнитов 13 и трех гистерезисных дисков 14, соединенных вместе. Взаимодействие ротора с магнитным полем статора - определяется взаимодействием магнитных полей постоянных магнитов статора и гистерезисных дисков.

2.1.4. Электрические тахометры

Электрические тахометры служат для дистанционного контроля направления и частоты вращения валов в диапазоне до 1500 об/мин. Датчиками в них служат тахогенераторы - миниатюрные генераторы переменного или постоянного тока, вырабатывающие напряжение, пропорциональное частоте вращения вала. Указателями являются магнитоэлектрические вольтметры со шкалой, градуированной в единицах частоты вращения.

Рис. 2.5. : а) Схема действия электрического тахометра; б) Тахогенератор.

В тахометре (рис. 5, а) тахогенератор 3 постоянного тока, приводимый во вращение от вала через цепной привод 2, является датчиком частоты вращения вала 1. К нему может быть подключено до восьми указателей - вольтметров 4 постоянного тока, размещенных по судну. Передаточное отношение от вала 1 к датчику определяется соотношением числа зубьев звездочек цепного привода и должно быть таким, чтобы номинальные частоты вращения вала и якоря датчика совпадали. Если при номинальной частоте вращения вала напряжение, вырабатываемое датчиком, не равно (30±0,1) В, то необходимо корректировать положение магнитного шунта. При правом и левом вращении якоря с номинальной частотой разность напряжений не должна превышать 0,1 В. В противном случае, необходимо корректировать нейтральное положение траверсы щеткодержателей. В электрическом генераторе переменного тока 5 (рис. 5, б), ротором является постоянный магнит 7, установленный неподвижно на валу, а статором - стальные неподвижные полосы 6. Тахогенераторы постоянного тока вместо обмоток возбуждения имеют постоянные магниты. В результате большого количества ламелей коллектора и особых форм вырезов канавок вырабатывается постоянное напряжение с небольшими пульсациями, которое пропорционально частоте вращения. Преимущество датчиков постоянного тока - получение поляризованного напряжения, т. е. одновременно определяется и направление вращения; недостаток - сбои в работе коллектора. Передача от вала должна быть без скольжения (шестеренчатая, цепная). В тахогенераторах переменного тока это возможно только при наличии двух обмоток со сдвигом фаз 90°. Переменное напряжение должно быть выпрямлено в мостиковой схеме. Разность напряжений обоих гальванически разделенных контуров измеряется прибором с двумя поворотными катушками. Напряжение на выводах тахогенератора зависит от количества подключенных показывающих приборов. Поэтому в корпусе тахогенератора устанавливается нагрузочный резистор, который можно включать или выключать.

studfiles.net


Смотрите также