Дослідження безконтактного фотоелектричного тахометра

 

Мета роботи: навчитися проводити вимірювання кутової швидкості фотоелектричним безконтактним цифровим тахометром; ознайомитись з його принципом дії, ознайомитись з найбільш розповсюдженими тахометричними перетворювачами та принципами побудови тахометрів на їх основі.

 

 

Положення твердого тiла, що обертається навколо нерухомої осi, визначається кутом повороту , тобто двогранним кутом мiж двома площинами, що проходять через вiсь обертання, з яких одна нерухома, а iнша жорстко закріплена з твердим тiлом і обертається разом з ним. Пiд час обертання кут повороту  є функцiєю часу

За основну одиницю кутової швидкостi прийнято рад/с. На практицi часто використовують термiн швидкiсть обертання n – величина, яка дорiвнює вiдношенню кількості обертiв, здiйснених тiлом, до часу обертання.

Засіб вимiрювання (ЗВ) кутової швидкості називається тахометром. Відомі тахометри будуються на основi трьох принципiв вимiрювання кутової швидкостi:

- вимірюється приріст часу t, за який точка об’єкта, що обертається, повернеться на фiксований кут . Кутова швидкість розраховується за виразом (1. 5).

- вимірюється кут , на який точка об’єкта, що обертається, повернеться за фiксований проміжок часу t. Кутова швидкість також розраховується за виразом (1. 5).

- значення кутової швидкості безпосередньо перетворюється в іншу фізичну величину, яка вимірюється вторинним засобом вимірювання.

Вимірювальні пристрої, що здійснюють перетворення кутової швидкості, кута повороту, часу, за який відбувається поворот на фіксований кут, в іншу фізичну величину, називаються тахометричними перетворювачами (ТП).

В наш час, за допомогою будь-якого одного тахометра неможливо з високою точнiстю виконувати вимiрювання в усіх дiапазонах можливої зміни кутових швидкостей. Практично тахометри будуються як спецiалiзованi технiчнi засоби, призначенi для перекриття тiльки певних дiлянок дiапазону. Дана обставина зумовлює велику кількість існуючих в теперішній час ТП і тахометрів на їх основі.

Узагальнена структурна схема ТП наведена на рис. 1. ТП подається як двовимiрний перетворювач енергiї. Енергiя до нього пiдводиться вiд об’єкта вимiрювання (ОВ) і вiд внутрiшнього джерела енергiї (ДЕ). В якостi приймача енергiї (ПЕ) може бути використаний один з перетворювачiв, вiдповiдний за фiзичною суттю джерелу енергiї. В ТП вiдбувається модуляцiя узагальненого потоку Ф за законом змiни  або   і на виходi модулятора М, тобто на входi ПЕ буде модульований потiк енергії Фм. ПЕ перетворює інформативний параметр у модульованому потоці енергії в фізичну величину Y (як правило електричний сигнал), зручну для вимірювання.

 

 

ТП можна класифікувати за такими ознаками:

За способом сполучення з валом об’єкта вимірювання ТП поділяються на контактні і безконтактні. До контактних належать ТП, що знаходяться в постiйному чи тимчасовому з’єднаннi з ОВ. З’єднання виконують муфтою, щiтками та iншими способами. До них можна вiднести вiдцентровi, гiроскопiчнi, тахогенераторнi та iншi ТП. До безконтактних ТП вiдносяться перетворювачi, якi не змiнюють момент iнерцiї ОВ і не створюють гальмівний момент. Вони не з’єднуються з ОВ безпосередньо, а передавання вимірювальної інформації здійснюється за допомогою свiтлового потоку, електромагнiтного поля і т. ін.

За типом внутрішнього джерела енергії, що створює потік Ф ТП поділяються на ТП з джерелом електростатичної енергiї; з джерелом гiдроаеродинамiчного потоку; з джерелом електромагнiтної енергiї, якi, в свою чергу, подiляються за частотним дiапазоном на радiохвильовi, оптичнi, промислової частоти (електромагнiтнi і радiоактивнi) ; з джерелом електрохiмiчної енергiї; з джерелом механiчної енергiї.

За видом інформативного параметра вихідної фізичної величини Y ТП поділяються на ТП амплітудного перетворення, ТП частотно-часового перетворення і просторового кодування.

Амплітудні тахометричні перетворювачі. До даного класу ТП відносяться тахогенератори змінного та постійного струму, фотоелектричні перетворювачі з просторовими фільтрами, амплітудні фотоелектричні перетворювачі та інш.

Тахогенераторами (ТГ) називаються електричні машини невеликої потужності, призначені для перетворення кутової швидкості в електричний сигнал. Тахогенератори представляють собою перетворювачі механічної енергії в електромагнітну.

Основними вимогами, які пред’являються до тахогенераторів є: лінійність статичної характеристики; велика крутизна характеристики; малий вплив на статичну характеристику зміни температури навколишнього середовища і навантаження; мінімум пульсацій напруги на колекторі. Тахогенератори бувають постійного та змінного струму.

У тахогенераторів постійного струму вихідна постійна напруга прямо пропорційна кутовій швидкості. Рівняння перетворення тахогенератора постійного струму має вигляд:

де UТГ – вихідна напруга тахогенератора, UЩ – напруга на щітковому контакті, kЕ – постійна машини, kК – конструктивний коефіцієнт, kp – коефіцієнт пропорційності між струмом якоря та потоком, RЯ – опір обмотки якорю, Rнав – опір навантаження. Схематичне креслення тахогенератора постійного струму наведено на рис. 2.

 

 

В процесі обертання ротора у полі статора на щітковому контакті виникає постійна напруга. Залежність вихідної напруги тахогенератора від кутової швидкості має високу лінійність, але при її нульовому значенні не дорівнює нулю, тобто присутня зона нечутливості. Окрім того вихідна напруга тахогенератора постійного струму має пульсуючу складову, яка зумовлює виникнення додаткової похибки первинного перетворення. Наявність щіткового контакту підвищує момент опору на валу тахогенератора.

Тахогенератори змінного струму використовуються в автоматичних пристроях для перетворення частоти обертання в амплітуду змінної ЕРС. Найбільше розповсюдження серед