Дослідження безконтактного фотоелектричного тахометра

Залежність амплітуди вихідного сигналу тахогенератора змінного струму від кутової швидкості в першому наближенні описується рівнянням

де   – коефіцієнт передачі тахогенератора.

Тахометричні перетворювачі просторового кодування. У ТП просторового перетворення інформація про кутову швидкість утворюється шляхом диференціювання кутового переміщення вала за часом.

Простими і зручними пристроями кодування, які одержали найбільш широке поширення є кодові диски. Значення розрядних коефіцієнтів (1 або 0) задається в них у вигляді провідних і непровідних, прозорих і непрозорих, магнітних і немагнітних ділянок. Відповідно використовують контактні, фотоелектричні, індуктивні і інші зчитуючі пристрої. На один кодовий розряд необхідно мати один зчитуючий пристрій. На рис. 3. а, б показані варіанти кодових дисків (а – двійковий код, б – код Грея).

 

 

Вихідний код представляє собою код кутового положення диску відносно нульового положення. Кутова швидкість знаходиться шляхом цифрового диференціювання залежності вихідного коду від часу за виразом:

де n – кількість кодових секторів;   – значення вихідного коду ТП в моменти часу  . Вираз (12) визначає середню кутову швидкість за проміжок часу від   до  .

Точність ТП просторового кодування визначається розрядністю коду, точністю виготовлення кодового диску, точністю зчитування інформації і точністю виконання операції цифрового диференціювання.

Тахометричні перетворювачі частотно-часового перетворення здійснюють перетворення вимірюваної кутової швидкості в імпульсну послідовність, частота якої прямо пропорційна, а період є оберненою функцією до вимірюваної швидкості.

Схематичне креслення найпростішого фотоелектричного ТП частотно-часового перетворення з перериванням світлового потоку наведено на рис. 4.

 

Принцип дії цього ТП засновано на перериванні освітленості робочої поверхні фотоприймача за допомогою модулятора, який має вигляд диску з виконаними в ньому радіальними отворами і який жорстко з’єднаний з валом об’єкта вимірювання. Фотоприймач освітлюється лампою через прорізі модулятора. При обертанні останнього здійснюється переривання світлового потоку, який попадає на фотоприймач (фотодіод на рис. 3), в результаті чого струм фотодіода має імпульсний характер. Формувач F перетворює імпульси струму (які мають складну форму і тривалість яких залежить від кутової швидкості) в прямокутні імпульси напруги UF калібровані за тривалістю та амплітудою. Як правило в такий ТП додатково вводять другий фотоприймач, зсунутий відносно першого на половину кута між отворами модулятора. Це необхідно для забезпечення можливості визначення напрямку обертання вала об’єкта вимірювання.

Частота та період вихідних імпульсів цього ТП з кутовою швидкістю пов’язані таким співвідношенням

де   – кількість імпульсів, що формуються на виході ТП частотно-часового перетворення за один оберт вала (для розглядуваного ТП дорівнює кількості отворів модулятора).

На основі ТП частотно-часового перетворення можливе створення як аналогових, так і цифрових тахометрів. Принцип дії цифрових тахометрів полягає у визначенні відношення

де  відповідно кут та час повороту ТП, який встановлено на валу об’єкта вимірювання.

В залежності від того, який з вище вказаних параметрів вимірюється, розрізнюють цифрові тахометри середнього значення і цифрові тахометри миттєвого значення.

У цифрових тахометрах середніх значень методом підрахунку імпульсів визначають кут повороту вала об’єкта за зразковий інтервал часу, який задається зовнішнім зразковим генератором, тобто цифровий тахометр будується за схемою цифрового частотоміра середніх значень. Такі вимірювачі придатні тільки для статичних вимірювань кутової швидкості. Їх рівняння перетворення має вигляд

де   – зразковий часовий інтервал, що формує зразкова міра часу від цифрового частотоміра середніх значень;  - виміряне значення кутової швидкості;   – код у двійковому лічильнику частотоміра, відповідний кількості імпульсів, підрахованих за часовий інтервал  ;

У цифровому тахометрі миттєвих значень здійснюється вимірювання часу повороту вала ТП на фіксований кут, тобто вимірюється період сигналу ТП шляхом квантування цього часового інтервалу імпульсами зразкової частоти від зовнішнього генератора. Цифровий тахометр будується за схемою цифрового періодоміра. Кутова швидкість визначається за співвідношенням

де  - відповідно миттєва кутова швидкість та миттєве кутове прискорення;   – час між двома вихідними імпульсами;   – частота зразкового генератора;   – код у двійковому лічильнику періодоміра, відповідний кількості імпульсів, підрахованих за часовий інтервал  ;

Працює такий тахометр циклічно, в кінці кожного періоду вихідного сигналу ТП вимірювальна інформація передається та запам’ятовується у зовнішньому обчислювальному пристрої для визначення кутової швидкості.

Коли необхідно оперативно вимірювати кутову швидкість і немає потреби у високій точності, використовують безконтактний цифровий фотоелектричний тахометр, структурна схема якого наведена на рис. 5.

 

 

Принцип дії пристрою полягає в наступному. На вал об’єкту наноситься світловідбиваюча мітка (за допомогою білої фарби або спеціальної стрічки на клейовій основі). Під час обертання валу, він опромінюється інфрачервоним випромінювачем ІВ (рис. 5). Інфрачервоне випромінювання відбивається від світловідбиваючої мітки і поглинається поверхнею вала. Відбите від мітки інфрачервоне випромінювання попадає на фотоприймач ФП. Внаслідок цього, на виході фотоприймача формується послідовність імпульсів, частота яких дорівнює частоті обертання вала. Часовий проміжок між двома сусідніми імпульсами дорівнює часу, за який здійснюється один оберт вала. Вихідні імпульси фотоприймача поступають на вбудований в мікроконтролер компаратор і на схему індикатора захоплення цілі ІЗЦ. Схема індикації захвату цілі призначена для того, щоб користувач міг контролювати якість приймання відбитого інфрачервоного випромінювання. Мікроконтролер, при наявності на виході фотоприймача імпульсів належного рівню, розраховує частоту обертання і виводить її значення на чотирьохрозрядний світлодіодний індикатор ЧІ.

Визначивши час між фронтами вихідних імпульсів фотоприймача можна розрахувати частоту обертання. Визначення цього часу здійснюється шляхом підрахунку імпульсів зразкової частоти в період між двома сусідніми імпульсами. Роль зразкової частоти виконує тактовий генератор мікроконтролера. Алгоритм визначення пояснюється рисунком 6.

 

Якщо відома частота імпульсів fo і відповідно їхній період То, те часовий проміжок Тх розраховується за допомогою формули:

де N – підрахована за час Тх кількість імпульсів.

Відповідно частота обертання розраховується за формулою:

На малюнку зображений ідеальний випадок, коли фронти імпульсів зразкового генератора збігаються з фронтами вихідних імпульсів фотоприймача. Розбіжність фронтів приводить до похибки вимірювання, що зумовлена похибкою квантування часового інтервалу. Варто відмітити, що існують інші складові похибки визначення частоти обертання, а саме:

складова похибки, зумовлена випадковими перешкодами:

• динамічна похибка, зумовлена відмінним від нуля кутовим прискоренням;
• складова похибки, зумовлена нестабільністю частоти зразкового генератора і її відхиленням від номінального значення;
• процесорні похибки.

Однак слід зазначити, що домінує саме складова похибки, зумовлена саме квантуванням часового інтервалу.

У пристрої, який використовується в лабораторній роботі здійснюється п’ятиразове послідовне визначення частоти обертання за вищевказаним алгоритмом з подальшим усередненням. На чотирьохрозрядний індикатор виводиться середнє значення частоти обертання, отримане на основі п’яти вимірювань.

 

 

3.1. Під керівництвом викладача встановити на регульованому джерелі живлення напругу 12 В, обмеження струму на рівні 1 А, і увімкнути його. Після цого на лабораторному стенді почне обертатися чорний диск з нанесеною на ньому світловідбиваючою міткою. Увімкнути осцилограф.

3.2. Для включення приладу необхідно натиснути на псевдосенсорну кнопку включення. Включений прилад необхідно повільно наблизити до рухомої частини, частоту обертання якої необхідно визначити. Наближати необхідно так, щоб тахометричний датчик знаходився перпендикулярно до світловідбиваючої мітки. Наближати треба до тих пір, поки не почне блимати індикатор “захоплення цілі”. Ця відстань складає близько 20-30 мм і залежить від освітленості рухомої частини, частоту обертання якої треба визначити. Після того, як почав блимати індикатор “захоплення цілі”, не треба наближати прилад ще ближче. При зменшенні відстані до об’єкту прилад працювати не буде. Фотоприймач, який використовується у тахометричному датчику пристрою, чутливий до денного світла і електричного освітлення, хоча максимум його чутливості знаходиться у інфрачервоній області спектру. Тому перед користуванням приладом необхідно забезпечити відсутність джерел зовнішнього освітлення. Чим менше освітленість рухомої частини, частоту обертання якої треба визначити, тим більше буде достовірність визначення частоти обертання.

3.3. Через декілька секунд після наближення датчика до рухомого об’єкту через певний проміжок часу (проміжок часу через який з’являться показання залежить від частоти обертання і може бути від декількох секунд при визначенні низьких частот обертання, до одиниць милісекунд) на чотирьохрозрядному індикаторі буде відображено значення частоти обертання у об/хв.

Показання приладу можуть змінюватись скачкоподібно кожні декілька секунд. Причин цьому може бути декілька: тремтіння руки, зовнішні джерела світла, нерівномірність частоти обертання (часто зустрічається у колекторних двигунів з нерівномірно зношеними щітками) та інш.

УВАГА! Для отримання достовірного значення частоти обертання радимо проводити вимірювання поки не з’являться стабільні показання на протязі 5 – 10 секунд (може на декілька одиниць змінюватись молодший або два молодших розряду)

3.4. Провести вимірювання кутової швидкості при зміні напруги живлення електродвигуна з кроком 1 В від 10 В до 20 В.

3.5. Паралельно з вимірюванням кутової швидкості тахометром провести вимірювання періоду вихідного сигналу фотоелектричного датчика для кожного значення напруги живлення електродвигуна.

3.6. За результатами вимірювання періоду розрахувати відповідну кутову швидкість. Результати вимірювань занести в таблицю 1.

 

 

3.7. Побудувати в одній системі координат залежність кутової швидкості, виміряної тахометром і розрахованої кутової швидкості від напруги живлення електродвигуна.

3.8. Зробити висновки по роботі.

 

 

1. Яка одиниця кутової швидкості є основною?
2. Який засіб вимірювання називають тахометром?
3. Які три основних принципи вимірювання кутової швидкості Ви знаєте?
4. Який вимірювальний перетворювач називають тахометричним?
5. Наведіть узагальнену структурну схему тахометричного перетворювача.
6. За якими трьома ознаками класифікують тахометричні перетворювачі?
7. Наведіть структурну схему і рівняння перетворення тахогенератора постійного струму.
8. Що собою представляють тахометричні перетворювачі просторового кодування?
9. Наведіть структурну схему і рівняння перетворення фотоелектричного тахометричного перетворювача.
10. Виведіть рівняння перетворення для цифрового тахометра середніх значень із фотоелектричним тахометричним перетворювачем.
11. Виведіть рівняння перетворення для цифрового тахометра миттєвих значень із фотоелектричним тахометричним перетворювачем.

 

 

1. Избыточные системы счисления, моделирование, обработка данных и системное проектирование в технике преобразования информации: Учеб. пособие / В. А. Поджаренко, А. Д. Азаров, В. А. Власенко, И. И. Коваленко. -К. : Выща шк., 1990.
2. Измерение угловых скоростей / Лассан В. Л. М. : изд-во «Машиностроение», 1969.
3. Способы и устройства получения и обработки тахометрической информации / Казанцев Е. М., Напираев Л. Б., Павлович Н. В. М. : Информэлектро, 1985.